Brevet FR2833424A1 — publié le 20030613

DESCRIPTION Cette invention se rapporte d'une façon générale au domaine de l'actionnement des soupapes et, plus particulièrement, à un procédé destiné à estimer la position et la vitesse d'une armature de soupape dans un système électromagnétique d'actionneur de soupape. Dans un moteur classique d'un véhicule caractéristique, une soupape est actionnée d'une position fermée contre un siège de soupape à une position ouverte à une certaine distance du siège de soupape afin de faire passer sélectivement un fluide, tel qu'un mélange de carburant et d'air, dans ou hors d'une chambre de combustion. Au cours des années, plusieurs progrès dans les actionnements des soupapes, tels qu'un calage ou réglage variable des soupapes, ont amélioré la sortie de puissance, le rendement du carburant et les émissions d'échappement. Le calage ou réglage variable des soupapes est le procédé consistant à ajuster de manière active soit la durée du cycle d'ouverture ou de fermeture, soit le calage du cycle de fermeture ou d'ouverture de la soupape. Plusieurs fabricants d'automobile comprenant Honda et Ferrari, utilisent habituellement des dispositifs mécaniques pour réaliser un calage variable des soupapes dans leurs moteurs. Un développement plus récent dans le domaine du calage variable des soupapes est l'utilisation de deux bobines de solénoïdes situées de chaque côté d'une armature afin d'ouvrir et de fermer les têtes de soupape. L'actionnement de l'une des bobines de solénoïdes crée une force d'attraction électromagnétique sur l'armature, qui déplace la soupape dans une première direction vers la bobine active. L'actionnement de la bobine de solénoïde opposée crée une force d'attraction électromagnétique sur l'armature vers la bobine active opposée, qui déplace la soupape dans l'autre direction. Ce système également connu en tant qu'actionneur électromagnétique de soupape (ou"EMVA"), permet une variabilité continue pour la durée et la synchronisation des cycles d'ouverture et de fermeture, ce qui annonce encore d'autres améliorations de la sortie de puissance, du rendement du carburant et des émissions d'échappement. Dans un moteur, il est souhaitable de déplacer rapidement la soupape entre la position ouverte et la position fermée et"d'asseoir doucement"la soupape contre le siège de soupape. La force créée par le système EMVA, qui est lié à la distance entre la bobine de solénoïde et l'armature et au courant d'actionnement de la bobine appliqué, augmente la non-linéarité à mesure que l'armature s'approche de la bobine de solénoïde. En fait, la bobine de solénoïde peut faire plaquer violemment l'armature contre la bobine de solénoïde, qui peut également faire plaquer violemment la tête de soupape dans le siège de soupape. Le claquement de la soupape contre le siège de soupape, ou le claquement de l'armature contre les bobines de solénoïdes provoque un bruit, une vibration et une rudesse ("NVH") indésirables à l'intérieur du véhicule. La demande de brevet des Etats-Unis ? de série 10/109 350 enseigne un procédé de commande d'un système EMVA en vue de minimiser le NVH. Le procédé dépend partiellement de la position et de la vitesse de l'armature. Bien que la position de l'armature puisse être mesurée par un capteur de position, l'incorporation d'un capteur de position dans le système EMVA est relativement onéreuse. Ainsi, il existe un besoin dans l'industrie automobile de créer un procédé destiné à estimer la position et la vitesse de l'armature de soupape sans capteur de position. Dans un premier aspect, l'invention réalise un procédé d'estimation de la position et de la vitesse d'une armature de soupape dans un système d'actionnement électromagnétique de soupape, qui comprend une première bobine de solénoïde qui excite et attire l'armature de la soupape sur la base d'une commande du premier solénoïde, caractérisé en ce que ledit procédé comprend l'obtention d'un paramètre pour la commande du premier solénoïde, la mesure d'une propriété de la première bobine de solénoïde, et l'estimation de la position et de la vitesse de l'armature de la soupape sur la base du paramètre obtenu et de la propriété mesurée. Ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'estimation de la propriété de la première bobine de solénoïde et le calcul d'une erreur sur la base de la propriété estimée et de la propriété mesurée, où ladite estimation de la position et de la vitesse de l'armature de la soupape est en outre fondée sur l'erreur calculée. Selon une autre caractéristique de l'invention, ce procédé comprend le calcul d'un paramètre pour la commande du premier solénoïde sur la base de la commande de premier solénoïde. Ce procédé peut également comprendre l'estimation de la propriété de la première bobine de solénoïde, et le calcul d'une erreur sur la base de la propriété estimée et de la propriété mesurée, où ladite estimation de la position et de la vitesse de l'armature de soupape est en outre fondée sur l'erreur calculée. Dans un second aspect, l'invention réalise un procédé dans un système électromagnétique d'actionnement de soupape qui comprend une seconde bobine de solénoïde qui excite et attire l'armature de la soupape dans une direction opposée sur la base d'une commande du second solénoïde, caractérisé en ce que ledit procédé comprend en outre l'obtention d'un paramètre pour la commande du second solénoïde, la mesure d'une propriété de la seconde bobine de solénoïde, et l'estimation de la position et de la vitesse de l'armature de la soupape sur la base du paramètre obtenu pour la commande du premier solénoïde, du paramètre obtenu pour la commande du second solénoïde, de la propriété mesurée de la première bobine de solénoïde et de la propriété mesurée de la seconde bobine de solénoïde. Le procédé est en outre caractérisé en ce qu'il comprend l'estimation de la propriété de la première bobine de solénoïde, le calcul d'une première erreur sur la base de la propriété estimée et de la propriété mesurée de la première bobine de solénoïde, l'estimation de la propriété de la seconde bobine de solénoïde, et le calcul d'une seconde erreur sur la base de la propriété estimée et de la propriété mesurée de la seconde bobine de solénoïde, où ladite estimation de la position et de la vitesse de l'armature de la soupape est en outre fondée sur la première erreur calculée et la seconde erreur calculée. De façon préférée, ladite obtention d'un paramètre comprend l'obtention de la tension d'entrée pour la commande du premier solénoïde, où ladite mesure d'une propriété comprend la mesure du courant au niveau de la première bobine de solénoïde, et où ladite estimation de la position et de la vitesse de l'armature de la soupape est fondée sur la tension d'entrée et le courant mesuré. De façon encore préférée, ladite obtention d'un paramètre comprend l'obtention du courant d'entrée pour la commande du premier solénoïde, où ladite mesure d'une propriété comprend la mesure du flux au niveau de la première bobine de solénoïde, et où ladite estimation de la position et de la vitesse de l'armature de la soupape est fondée sur le courant d'entrée et le flux mesuré. Ci-après, l'invention sera décrite davantage au moyen d'un mode de réalisation préféré et en liaison avec les dessins annexés, dans lesquels : Les figures 1A, 1B et 1C sont des vues en coupe transversale d'un actionneur électromagnétique de soupape utilisé dans les procédés préférés. La description suivante des deux procédés préférés de l'invention n'est pas prévue pour limiter l'invention à ces procédés préférés, mais plutôt à permettre à l'homme de l'art de réaliser et d'utiliser cette invention. Comme représenté sur les figures 1A, 1B et 1 C, les procédés préférés de l'invention peuvent être utilisés pour commander un actionneur électromagnétique de soupape 10 ("EMVA") d'un moteur d'un véhicule. Les procédés préférés peuvent également être utilisés pour commander un système EMVA 10 d'autres dispositifs appropriés, tels qu'un moteur d'un navire, un moteur d'un aéronef ou d'autres systèmes d'actionnement de fluide. Le système EMVA 10 utilisé dans les procédés préférés comprend une tête de soupape 12, qui se déplace entre une position ouverte (représentée sur la figure 1A) et une position fermée (représentée sur la figure 1C). La tête de soupape 12 agit pour laisser passer sélectivement un fluide au travers d'un orifice 14 en se déplaçant d'une position fermée à une position ouverte. De préférence, la tête de soupape 12 se déplace sélectivement d'une certaine distance à partir de l'orifice 14, ce qui permet le passage d'un mélange de carburant et d'air dans une chambre de combustion d'un moteur (représentée seulement partiellement), et ensuite se déplace contre un siège de soupape 16 autour de l'orifice 14 pour obturer le passage du mélange de carburant et d'air. Le système EMVA 10 utilisé dans les procédés préférés comprend également une tige de soupape 18, une tige d'armature 20, un premier ressort 22 et un second ressort 24. La tige de soupape 18 agit pour actionner la tête de soupape 12 depuis un emplacement distant de l'orifice 14. La tige d'armature 20, le premier ressort 22 et le second ressort 24 coopèrent collectivement avec la tige de soupape 18 pour annuler pratiquement les effets des changements de température sur le système EMVA 10. Le premier ressort 22 sollicite la tige de soupape 18 vers la tige d'armature 20, tandis que le second ressort 24 sollicite la seconde tige de soupape vers la tige de soupape 18. De cette manière, la tige de soupape 18 et la tige d'armature 20 agissent pratiquement sous forme d'une seule unité durant le déplacement de la tête de soupape 12, mais permettent l'allongement de la tige de soupape 18 provoqué par les fluctuations de température à l'intérieur du moteur. En plus de procurer des forces pour solliciter la tige de soupape 18 et la tige d'armature 20 ensemble, le premier ressort 22 et le second ressort 24 sont de préférence conçus pour solliciter la tête de soupape 12 dans une position d'équilibre ou"position intermédiaire" (représentée sur la figure IB) entre la position ouverte et la position fermée. Le système EMVA 10 utilisé dans les procédés préférés comprend également une armature de soupape 26 couplée à la tête de soupape 12 par l'intermédiaire de la tige d'armature 20 et de la tige de soupape 18, une première bobine de solénoïde 28 située d'un premier côté de l'armature 26, et une seconde bobine de solénoïde 30 située de l'autre côté de l'armature de soupape 26. De préférence, l'armature de soupape 26 s'étend depuis la tige d'armature 20 avec une forme appropriée rectangulaire, cylindrique ou autre et comprend un matériau pouvant être aimanté et relativement résistant, tel que de l'acier. La première bobine de solénoïde 28 agit pour créer une force électromagnétique sur l'armature de soupape 26 afin de déplacer la tête de soupape 12 dans la position fermée, tandis que la seconde bobine de solénoïde 30 agit pour créer une force électromagnétique sur l'armature de soupape 26 pour déplacer la tête de soupape 12 dans la position ouverte. Le système EMVA 10 utilisé dans les procédés préférés comprend également un dispositif de commande d'entrée (non représenté), qui agit pour actionner alternativement les bobines de solénoïdes en vue de déplacer la tête de soupape 12 de la position ouverte, en passant par la position intermédiaire, et dans la position fermée, et en vue de déplacer la tête de soupape 12 de la position fermée, en passant par la position intermédiaire, et dans la position ouverte. Le dispositif de commande d'entrée permet de préférence le fonctionnement continu de la tête de soupape 12 avec une durée de cycle d'environ 3 millisecondes, suivant les constantes de ressort, la distance du déplacement de l'armature, et la masse des éléments, entre autres facteurs. Les procédés préférés d'estimation de la position et de la vitesse de l'armature comprennent : l'obtention d'un paramètre pour la commande du premier solénoïde et la commande du second solénoïde, la mesure d'une propriété de la première bobine de solénoïde 28 et de la seconde bobine de solénoïde 30, et l'estimation de la position et de la vitesse de l'armature de soupape 26 sur la base du paramètre obtenu pour la commande du premier solénoïde, du paramètre obtenu pour la commande du second solénoïde, de la propriété mesurée de la première bobine de solénoïde 28 et de la propriété mesurée de la seconde bobine de solénoïde 30. Les procédés préférés peuvent comprendre en outre d'autres actions comme décrit ci-dessous ou comme envisagé par un homme de l'art. Le premier procédé préféré de l'invention comprend l'obtention de la tension d'entrée et la mesure du courant au niveau des bobines de solénoïdes. Ce procédé, qui comprend un dispositif d'observation à quatre états, peut être réduit à un dispositif d'observation à trois états si la première bobine de solénoïde et la seconde bobine de solénoïde ne sont pas actionnées simultanément. Le second procédé préféré de l'invention, qui comprend un dispositif d'observation à deux états, comprend l'obtention du courant d'entrée et la mesure du flux au niveau des bobines de solénoïdes. Un dispositif d'observation est un procédé bien connu provenant de la documentation de systèmes de commande, qui reconstitue des paramètres ou des états non mesurés à partir de paramètres ou d'états mesurés. Un dispositif d'observation est constitué de façon caractéristique de deux composantes : une composante de duplication de modèle et un terme de correction par contre-réaction fondé sur l'erreur entre les états mesuré et estimé. Dans le premier procédé préféré, la première étape d'obtention d'un paramètre comprend de préférence l'obtention de la tension d'entrée pour la commande du premier solénoïde et la commande du second solénoïde. L'obtention de la tension d'entrée est de préférence obtenue soit en mesurant la tension d'entrée avec un capteur approprié, soit en calculant la tension d'entrée sur la base des commandes des solénoïdes avec un processeur approprié. L'obtention de la tension d'entrée peut en variante être obtenue avec d'autres dispositifs ou procédés appropriés. La seconde étape de mesure d'une propriété comprend la mesure du courant au niveau de la première bobine de solénoïde et de la seconde bobine de solénoïde. La mesure du courant au niveau des bobines de solénoïdes est de préférence obtenue avec un capteur de courant comprenant un amplificateur différentiel qui fournit en sortie une tension proportionnelle au courant, mais peut en variante être obtenue avec tout dispositif ou procédé approprié quelconque. Dans le premier procédé préféré, la troisième étape d'estimation de la position et de la vitesse de l'armature de soupape utilise de préférence un modèle du système EMVA fondé sur les quatre équations différentielles ordinaires non linéaires du premier ordre suivantes : Les quatre états comprennent : xi, la position de l'armature de la soupape, X2, la vitesse de l'armature de la soupape, X3, le courant de la première bobine de solénoïde et X4, le courant de la seconde bobine de solénoïde. Les paramètres pour les commandes des solénoïdes comprennent : Ut et U2, les tensions d'entrée de la première bobine de solénoïde et de la seconde bobine de solénoïde, respectivement. Les autres éléments de l'équation comprennent : c, l'amortissement ; k, la raideur effective des ressorts ; m, la masse mobile effective de l'armature de soupape, de la tête de soupape, d'une partie des premier et second ressorts, des arrêts de ressorts et des coiffes d'extension, de la tige d'armature et de la tige de soupape ; Roc et Rcc, la résistance des bobines de solénoïdes respectives ; la tige de soupape ; R,,, et R, Loc et Lec, l'inductance des bobines de solénoïdes respectives ; oc et cc, le flux magnétique des bobines de solénoïdes respectives ; fem, la force magnétique agissant sur l'armature de soupape ; et fe, la perturbation de charge du moteur agissant sur le système EMVA. L'amortissement et la raideur du modèle sont représentés sous forme linéaire, mais peuvent en variante être représentés sous forme non linéaire. En outre, les équations comprennent de préférence plusieurs simplifications, incluant l'omission de la saturation de la position de l'armature et des pertes par courant de Foucault, mais peuvent en variante comprendre d'autres simplifications. En effectuant la résolution pour les quatre états, la position et la vitesse de l'armature de soupape peuvent être estimées à partir de la tension d'entrée pour la commande du premier solénoïde, de la tension d'entrée pour la commande du second solénoïde, du courant mesuré au niveau de la première bobine de solénoïde et du courant mesuré au niveau de la seconde bobine de solénoïde. La position et la vitesse de l'armature de soupape peuvent, bien entendu, être estimées à partir des tensions d'entrée et des courants mesurés, avec d'autres modèles ou équations appropriés. Dans le second procédé préféré, la première étape d'obtention d'un paramètre comprend l'obtention du courant d'entrée pour la commande du premier solénoïde et la commande du second solénoïde. L'obtention du courant d'entrée est de préférence réalisée soit en mesurant le courant d'entrée avec un capteur de courant approprié, soit en calculant le courant d'entrée sur la base de la commande du solénoïde avec un processeur approprié. L'obtention du courant d'entrée peut en variante être réalisée avec d'autres dispositifs ou procédés appropriés. La seconde étape de mesure d'une propriété comprend la mesure du flux au niveau de la première bobine de solénoïde et de la seconde bobine de solénoïde. La mesure du flux au niveau des bobines de solénoïdes est de préférence réalisée par un capteur approprié, tel qu'un capteur à effet Hall, mais peut en variante être réalisée par tout dispositif ou procédé appropriés. Dans le second procédé préféré, la troisième étape d'estimation de la position et de la vitesse de l'armature de soupape utilise de préférence un modèle du système EMVA fondé sur deux équations semblables aux première et seconde équations présentées ci-dessus. En effectuant la résolution pour les deux états, la position et la vitesse de l'armature de soupape peuvent être estimées à partir du courant d'entrée pour la commande du premier solénoïde, du courant d'entrée pour la commande du second solénoïde, du flux mesuré au niveau de la première bobine de solénoïde et du flux mesuré au niveau de la seconde bobine de solénoïde. La position et la vitesse de l'armature de soupape peuvent, bien entendu, être estimées à partir des courants d'entrée et des flux mesurés avec d'autres modèles ou équations appropriés. Les procédés préférés peuvent également comprendre un terme de correction par contre-réaction. La contre-réaction comprend de préférence l'estimation de la propriété de la première bobine de solénoïde, le calcul d'une première erreur sur la base de la propriété estimée et de la propriété mesurée de la première bobine de solénoïde, l'estimation de la propriété de la seconde bobine de solénoïde et le calcul d'une seconde erreur sur la base de la propriété estimée et de la propriété mesurée de la seconde bobine de solénoïde. L'estimation de la position et de la vitesse de l'armature de soupape est en outre fondée sur la première erreur calculée et la seconde erreur calculée. Cette contre-réaction des erreurs calculées procure un effet correcteur qui peut augmenter la précision de l'estimation. Dans le premier procédé préféré, le terme de correction par contre-réaction comprend de préférence l'estimation du courant de la première bobine de solénoïde, le calcul d'une première erreur fondée sur le courant estimé et le courant mesuré au niveau de la première bobine de solénoïde, l'estimation du courant de la seconde bobine de solénoïde, et le calcul d'une seconde erreur fondée sur le courant estimé et le courant mesuré au niveau de la seconde bobine de solénoïde ; où ladite estimation de la position et de la vitesse de l'armature de soupape est en outre fondée sur la première erreur calculée et la seconde erreur calculée. La boucle de contre-réaction du premier procédé préféré peut, bien entendu, être fondée sur d'autres facteurs, équations ou modèles appropriés. Dans le second procédé préféré, le terme de correction par contre-réaction comprend de préférence l'estimation du flux de la première bobine de solénoïde, le calcul d'une première erreur fondée sur le flux estimé et le flux mesuré de la première bobine de solénoïde, l'estimation du flux de la seconde bobine de solénoïde, le calcul d'une seconde erreur fondée sur le flux estimé et le flux mesuré de la seconde bobine de solénoïde ; où ladite estimation de la position et de la vitesse de l'armature de soupape est en outre fondée sur la première erreur calculée et la seconde erreur calculée. La boucle de contre-réaction du second procédé préféré peut, bien entendu, être fondée sur d'autres facteurs, équations ou modèles appropriés. Bien que les procédés préférés de l'invention aient été décrits par rapport à deux bobines de solénoïdes, les procédés préférés peuvent être utilisés avec uniquement la bobine active parmi la première bobine de solénoïde et la seconde bobine de solénoïde. L'utilisation uniquement de la bobine active réduit l'ordre, la complexité et le temps de calcul. En outre, bien que les procédés préférés de l'invention aient été décrits par rapport à un système EMVA (soupape d'admission), les procédés préférés peuvent être utilisés sur des systèmes EMVA multiples (à la fois des soupapes d'admission et des soupapes d'échappement) à l'intérieur d'un moteur. Comme l'homme de l'art s'en rendra compte d'après la description détaillée précédente et les figures ainsi que les revendications, des modifications et des changements peuvent être apportés aux procédés préférés de l'invention sans s'écarter de la portée de cette invention. REVENDICATIONS 1. Procédé d'estimation de la position et de la vitesse d'une armature de soupape (26) dans un système électromagnétique d'actionnement de soupape (10), qui comprend une première bobine de solénoïde (28) qui excite et attire l'armature de la soupape (26) sur la base d'une commande de premier solénoïde, caractérisé en ce que ledit procédé comprend : l'obtention d'un paramètre pour la commande de premier solénoïde, la mesure d'une propriété de la première bobine de solénoïde (28), et l'estimation de la position et de la vitesse de l'armature de soupape (26) sur la base du paramètre obtenu et de la propriété mesurée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite obtention d'un paramètre comprend la mesure d'un paramètre pour la commande du premier solénoïde. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite obtention d'un paramètre comprend le calcul d'un paramètre pour la commande du premier solénoïde sur la base de la commande de premier solénoïde. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : l'estimation de la propriété de la première bobine de solénoïde (28), et le calcul d'une erreur sur la base de la propriété estimée et de la propriété mesurée, où ladite estimation de la position et de la vitesse de l'armature de soupape (26) est en outre fondée sur l'erreur calculée. 5. Procédé selon la revendication 1 dans un système électromagnétique d'actionnement de soupape (10) qui comprend une seconde bobine de solénoïde (30) qui excite et attire l'armature de soupape (26) dans une direction opposée sur la base d'une commande de second solénoïde, caractérisé en ce que ledit procédé comprend en outre : l'obtention d'un paramètre pour la commande du second solénoïde, la mesure d'une propriété de la seconde bobine de solénoïde (30), et l'estimation de la position et de la vitesse de l'armature de soupape (26) sur la base du paramètre obtenu pour la commande du premier solénoïde, du paramètre obtenu pour la commande du second solénoïde, de la propriété mesurée de la première bobine de solénoïde (28) et de la propriété mesurée de la seconde bobine de solénoïde (30). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : l'estimation de la propriété de la première bobine de solénoïde (28), le calcul d'une première erreur sur la base de la propriété estimée et de la propriété mesurée de la première bobine de solénoïde (28), l'estimation de la propriété de la seconde bobine de solénoïde (30), et le calcul d'une seconde erreur sur la base de la propriété estimée et de la propriété mesurée de la seconde bobine de solénoïde (30), ladite estimation de la position et de la vitesse de l'armature de soupape (26) étant en outre fondée sur la première erreur calculée et la seconde erreur calculée. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite obtention d'un paramètre comprend l'obtention de la tension d'entrée pour la commande du premier solénoïde, ladite mesure d'une propriété comprenant la mesure du courant au niveau de la première bobine de solénoïde (28), et ladite estimation de la position et de la vitesse de l'armature de soupape (26) étant fondée sur la tension d'entrée et le courant mesuré. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite obtention d'un paramètre comprend l'obtention du courant d'entrée pour la commande du premier solénoïde, ladite mesure d'une propriété comprenant la mesure du flux au niveau de la première bobine de solénoïde (28), et ladite estimation de la position et de la vitesse de l'armature de soupape (26) étant fondée sur le courant d'entrée et le flux mesuré.