Brevet FR2835878A1 — publié le 20030815

moLeur de l'organe de maneuvre. DESCRIPTION La présente invention se rapporte d'une facon générale à des systèmes destinés à actionner électromagnétiquement des soupapes de moteur. Plus particulièrement, elle se rapporte à la commande de l'armature de l'actionneur et de la soupape de moteur avec un appui doux de l'armature d'actionneur sur les noyaux d'actionneur, et un appui doux des soupapes de moteur. On savait bien qu'un réglage de distribution variable pour des moteurs à combustion interne améliore leur économie en carburant et réduit les émissions. Un système d' acti onnement de soupap e éle ctromagnéti que (EMVA S) e st l 'une de s technologies pour réaliser le réglage de distribution variable requis. Une première forme d'actionneurs électromécaniques connus comprend une armature qui se déplace en va-et-vient le long d'un trajet de déplacement linéaire entre deux noyaux d'électroaimants. L'armature fonctionne en tant qu'élément d'actionnement et elle est mise en oeuvre en s'opposant à la force de deux ressorts positionnés sur des côtés opposés de l'armature. Dans un état non actionné, l'armature est positionnée à mi-chemin entre les deux noyaux par les ressorts opposés. Les actionneurs électromagnétiques du type décrit ci-dessus sont utilisés, par exemple, en vue de mettre en oeuvre des soupapes de cylindres des moteurs à combustion interne. Chaque soupape de cylindre est actionnée par l'armature de l'actionneur électromagnétique associé. L'armature, qui, en raison des forces des ressorts de rappel, prend sa position de repos entre les deux électroaimants, est attirée en alternance par le premier ou l'autre électroaimant, et, par conséquent, la soupape de cylindre est maintenue dans sa position ferrnée ou ouverte. Un premier problème associé au système EMVAS est d'initialiser l'armature depuis une position intermédiaire vers soit une position ouverte de soupape, soit une position fermée de soupape avec un appui doux de l'armature et de la soupape de moteur. Un second problème associé au système EMVAS est de commander la transition d'armature depuis la position ouverte vers la position fermée ou depuis la position fermoe vers la po siti on ouverte avec un appui doux entre le s noyaux d' armature et l ' armature, et entre la soupape et la culasse du moteur. Un troisième problème est la robustesse de la commande d'initialisation et de transition d'appui doux. Un quatrième problème est l'exigence de mise en forme de courant à bande passante élevée et complexe en vue d'obtenir la commande d'appui doux requise. Un cinquième problème est la minimisation de consommation de puissance du système EMVAS et la réduction d'exigence de puissance pour minimiser la taille, le poids et le coût du système. Un sixième problème est la puissance gaspillée chaque fois que le système EMVAS et le train de soupapes sont arrêtés. La présente invention s'intéresse à un dispositif et à un procédé destinés à mettre en oeuvre une bobine d'actionneur de soupape électromagnétique de manière à résoudre les problèmes décrits ci-dessus en utilisant un algorithme de retour d'énergie de compensation de perte. Le dispositif commande un actionneur de soupape comportant une armature positionnée entre des bobines d'ouverture et de fermeture. Un processeur de position est compris, lequel génère un signal d'énergie et des signaux de temporisateur d'ouverture et de fermeture en réponse à un signal de position représentant une position de l'armature d'actionneur de soupape par rapport aux bobines d'ouverture et de fermeture. Un contrôleur de courant génère un signal d' instruction de courant final et un signal d'énergie normalisé en réponse au signal d'énergie et un générateur d'événement génère des signaux d'événement en réponse aux signaux de temporisateur d'ouverture et de fermeture et au signal d'énergie normalisé. Un contrôleur logique de supervision génère des signaux d'initialisation et de transition en réponse au signal d'instruction de courant final et aux signaux d'événement(s), les signaux d'initialisation et de transition définissant une amplitude et une durée d'impulsion de courant pour un appui doux de l'armature sur une surface d'appui des noyaux associés aux bobines d'ouverture et de fermeture. Conformément à la présente invention, le processeur de position peut comprendre un moyen destiné à différencier le signal de position afin d'obtenir un signal de vitesse représentant une vitesse de l'armature et un moyen répondant au signal de position et au signal de vitesse en vue de générer le signal d'énergie représentant une énergie mécanique totale de l'armature. Le processeur de position peut comprendre un moyen destiné à normaliser les signaux de temporisateur d'ouverture et de fermeture utilisant la moitié d'un temps de transition propre de l'armature. Plus particulièrement, le contrôleur de courant peut comprendre un moyen destiné à normaliser le signal d'énergie sur la base d'une énergie potentielle maximum sélectionnce afin de générer le signal d'énergie normalisé. Le contrôleur de courant comprend une table de consultation mémorisant des valeurs de l'énergie maximum qui peuvent être injectées dans l'armature en vue d'une pluralité de valeurs d'impulsions de courant, un moyen destiné à estimer une perte d'énergie totale sur la base de la position de l'armature et un moyen d'instruction répondant à une valeur d'énergie maximum obtenue à partir de la table de consultation et la perte d'énergie totale en vue de générer le signal S d'instruction de courant final. De façon préférée, le générateur d'événement répond au signal de fermeture de temporisateur afin de générer un signal cls_app lorsque l'armature est libérée d'une position d'ouverture de soupape et passe par un point intermédiaire entre la position d'ouverture de soupape et une position de fermeture de soupape, le contrôleur logique de supervision répondant au signal cls_app afin de générer l'un des signaux d'initialisation en vue de lancer une impulsion de courant dans la bobine fermée. De préLérence, le contrôleur logique de supervision génère les signaux d'initialisation et de transition afin de définir au moins une impulsion de courant d'amplitude plus élevée pour attirer l'armature vers l'une des bobines, suivie par une période prédéterminée sans impulsion de courant, suivie par une impulsion de courant de maintien d'amplitude plus faible. En particulier, le contrôleur de courant peut comprendre un moyen destiné à générer un signal de différence représentant une différence entre une valeur d'énergie d'appui et une valeur d'énergie totale du système et aj outer le signal de différence au signal d'instruction de commande final. Par ailleurs, le procédé de commande de l'actionneur de soupape électromagnétique selon l'invention comprend les étapes consistant à: générer un signal d'instruction de courant final en réponse à un signal de position représentant une position d'une armature d'actionneur de soupape par rapport aux bobines d'ouverture et de fermeture, générer un premier signal en réponse au signal d'instruction de courant final définissant une impulsion de courant d'amplitude plus élevée de durée prédéterminée pour tirer l'armature vers l'une des bobines, générer un second signal en réponse au signal d'instruction de courant final définissant une période prédétermince sans impulsion de courant, et générer un troisième signal en réponse au signal d'instruction de courant final définissant une impulsion de courant de maintien d'amplitude plus faible en vue d'un appui doux de l'armature sur une surface d'appui du noyau associé à la première bobine. Ce qui précède, de même que d'autres avantages de la présente invention, deviendront facilement évidents pour l'homme de l'art à partir de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation préféré non limitatif lors d'une considération à la lumière des dessins annexés dans lesquels: Les figures la à lc (figure 1) sont des vues simplifiées d'un système d'actionneur de soupape électromagnétique représentant les positions de soupape ouverte, demi ouverte et fermée, respectivement. La figure 2 est un schéma synoptique simplifié du circuit de commande de compensation de perte à retour d'énergie du système d'actionneur de soupape électromagnétique conforme à la présente invention, La figure 3 est un schéma synoptique simplifié du processeur de position représenté sur la figure 2, La figure 4 est un schéma synoptique simplifié du contrôleur de courant représenté sur la figure 2, La figure 5 est un schéma synoptique simplifié du générateur d'événement représenté sur la figure 2, La figure 6 est un schéma synoptique simplifié du contrôleur logique représenté sur la figure 2, La figure 7 est un tracé de forme d'onde du courant de bobine, de la vitesse d'armature et de la position d'armature durant un processus d'initialisation du système d'actionneur de soupape électromagnétique représenté sur la figure 2, et La figure 8 est un tracé de forme d'onde du courant de bobine, de la vitesse d'armature et de la position d'armature durant un processus de commande de transition d'une ouverture vers une fermeture du système d'actionneur de soupape électromagnétique représenté sur la figure 2. Les figures la à lc représentent une soupape de moteur 10 montée en vue d'un mouvement de va-et-vient dans un orifice 11 d'une partie du moteur 12. Un actionneur de soupape électromagnétique 13 est commandé pour mettre en oeuvre la soupape de moteur 10 vers une position ouverte (figure la), une position à demiuverte (figure lb), ou une position fermée (figure lc) conforrnément à des instructions provenant d'un contrôleur de moteur (non représenté). L'actionneur 13 comprend une armature 14 fixée à la queue de la soupape 11. L'armature 14 est attirée par une bobine inférieure 15 excitée pour comprimer un ressort inférieur 16 comme indiqué sur la figure la. En variante, l'armature 14 est attirée par une bobine supérieure activée 17 pour comprimer un ressort supérieur 18 comme indiqué sur la figure lc. La bobine inférieure 15 et le ressort inférieur 16 sont conservés dans un noyau inférieur 19 comportant une surface d'appui dirigée vers le haut 20 contre laquelle l'armature 14 vient à reposer dans la position ouverte de soupape. La bobine supérieure 17 et le ressort supérieur 18 sont conservés dans le noyau supérieur 21 comportant une surface d'appui dirigée vers le bas 22 contre laquelle l'armature 14 vient reposer dans la position fermée de soupape. Les surfaces d'appui 20 et 22 sont espacées par un entrefer 23 à travers lequel l'armature 14 passe en transition et dans lequel l'armature est centrée lorsque les deux bobines 15 et 17 ne sont pas excitées. La figure 2 est un schéma synoptique d'un circuit de commande de compensation de perte à retour d'énergie 25 conforme à la présente invention. Le circuit 25 comprend quatre blocs fonctionnel principaux: 1) un processeur de position 26, 2) un contrôleur de courant 27, 3) un générateur d'événement 28, et 4) un contrôleur logique de supervision 29. L'unité de commande de moteur 30 génère des instructions, telles qu'une transition d'ouverture/fermeture (Open/close), une opération de début/arrêt (Start/stop) et une première position de soupape en vue d'une initialisation (Valve_ini_pst) sur des sorties reliées à des entrées vers le contrôleur 25. Le contrôleur 25 répond à ces instructions et génère des instructions de courant à destination d'un amplificateur de puissance régulé en courant 31 qui attaque les bobines 15 et 17 en vue d'un actionnement de mouvement de soupape. La figure 3 représente la circulation de signal en vue d'un traitement d'informations de position dans le processeur de position 26. Un signal de début, au niveau d'une borne d'entrée 1, commence le processus. Tout d'abord, le signal de position, à une borne d'entrée 2, est différentié (32) afin d'obtenir la vitesse de l'armature 14. La vitesse et la position de l'armature 14 sont converties en valeurs d'énergie mécanique (33 et 34) qui sont sommées (35) afin d'obtenir l'énergie mécanique totale de l'armature générée sous la forme d'un signal d'énergie à une borne de sortie 1. Deuxièmement, le point de passage par zéro du signal de position est généré pour déclencher un compteur pour le processus de fermeture et le processus d'ouverture, respectivement. La moitié du temps de transition propre (36 et 37) est utilisée pour normaliser une paire de temporisateurs générant un signal Timer_cls au niveau d'une borne de sortie 2 et un signal Timer opn au niveau d'une borne de sortie 3. On notera que ces informations peuvent également être obtenues par l'intermédiaire de la mesure directe de l'accélération de l'armature. Ce signal peut ensuite être intégré afin d'obtenir la vitesse et la position de l'armature 14. La figure 4 représente le contrôleur de courant fondé sur un retour d'énergie 27. Le signal d'énergie provenant du processeur de position 26 est reçu au niveau d'une borne d'entrée 1 et il est tout d'abord normalisé sur la base de l'énergie potentielle maximum. Une table de consultation 38 appelée EI_curve (courbe EI) détermine la quantité d'énergie qui peut étre injectée dans l'armature 14 par une impulsion de courant présentant une intensité I_max (ici I_max = 12 A). Par ailleurs, une perte totale est estimée sur la base de la situation de l'armature 14 (en termes d'énergie) et de deux gains (K_1 en 39 et K_2 en ). Il existe d'autres mécanismes pour estimer cette perte totale, y compris même, la perte aérodynamique. La perte totale est comparée à l'injection d'énergie maximum disponible (38) et une instruction de courant finale I_cmd est obtenue à une borne de sortie 1 après mise à l'échelle (K-3 en 41) et un traitement par un limiteur (42). La figure 5 représente le générateur d'événement 28 qui est utilisé pour déclencher le contr81eur logique de supervision 29 comme indiqué sur la figure 6. Sur la base du signal Timer_cls reçu à une borne d'entrée 2 depuis le processeur de position 26, un signal cls_app est généré à une borne de sortie 4 lorsque l'armature 14 est libérée de la position ouverte et s'approche de la position fermée lors d'un passage par le point intermédiaire dans l'entreLer 23. Ce signal cls_app est utilisé pour lancer l'impulsion de courant qui sera terminée lorsqu'un signal cls_set est disponible. La même opération est exécutée pour la transition d'une fermeture vers une ouverture sur la base du signal Timer_opn reçu à une borne d'entrée 3 depuis le processeur de position 26. Une autre façon d'interrompre l'impulsion de courant consiste à utiliser un signal d'événements E_cls généré à une borne de sortie 2 et un signal d'événements E_opn généré à une borne de sortie 3, lesquels signaux indiquent que l'armature a atteint un état d'énergie suffisant en vue d'un appui. Un signal d'événements E_cp est généré au niveau d'une borne de sortie 1 en vue d'arréter l'armature 14. Ces trois événements associés à un retour d'énergie (E_opn, E_cls et E_stp) sont générés sur la base d'un signal d'énergie normalisé energy_n généré à partir d'une borne de sortie 2 du contr81eur de courant 27 et reçu à une borne d'entrée 1. La figure 6 représente le contrôleur logique de supervision 29 qui est constitué de deux parties principales: l'initialisation et la transition. Lorsqu'une instruction "start" (début) appara^t, l'état passe de " Frce" (libre) vers soit " cls_pul se " ou " opn_pul se " en fonction de P_int = 1 ou P_int = 0, respectivement. A ces états, Ic_int et Io_int sont les instructions de courant émises vers la bobine fermée 17 et la bobine ouverte 15, respectivement. L'événement cls_set ou opn_set interrompront l'impulsion de courant. Après une courte période de fonctionnement libre, l'événement opn_app ou cls_app déclencheront une autre impulsion de courant. Après certaines impulsions de courant et si l'énergie d'armature est suffisante, l'état transitera vers cls_holdingOO ou opn_holdingOO en fonction de la valeur de P_int. Il est important de noter que les courants d'instruction de ces deux états (opn_pulse et cls_pulse) ont été réduits pour simplement surmonter le frottement en vue d'un appui doux. Ensuite, les événements cls_set ou opn_set déplaceront l'état vers cls_holdingO ou opn_holdingO, le courant total de maintien requis étant prédéterminé expérimentalement. Ceci est le processus d'initialisation, qui est représenté sur la fgure 7. Il doit être noté que les intensités des impulsions de courant sont réduites dans le but d'un appui doux. En se référant à la figure 6 et à la figure 8, le processus de transition est déclenché par l'événement opn2cls ou l'événement cls20pn. La figure 8 représente le processus de commande de transition depuis l'état ouvert vers l'état fermé. Lors de l'événement opn2cls, le courant de bobine ouverte est coupé et l'armature se déplace vers la bobine fermée 17 attaquce par la force de ressort et après un temps de réponse mécanique (environ 2,5 ms). Lorsque l'armature passe par le point intermédiaire, l'événement csl_app est généré pour lancer l'impulsion de courant dans la bobine fermée 17. Lorsque l'énergie atteint le niveau préétabli, le courant est réduit jusqu'à ce que l'événement cls_set apparaisse. Cet événement changera le courant d'instruction en courant de maintien jusqu'à ce que l'événement cls20pn soit généré. En se référant à la figure 4, l'instruction de courant I_cmd peut être enrichie par une composante de différence delt_I_cmd, laquelle est déterminée par l'énergie d' armature lorsqu'elle est appuyée. S i l'énergie d'appui est plus grande que l'énergie totale du système, un signal delt_I_cmd négatif sera généré. Par ailleurs, un signal delt_I_cmd positif sera généré si l'énergie d'appui est plus petite que l'énergie totale du système. Un régulateur PI 43 peut êhe utilisé pour mettre en oeuvre cette caractéristique. En faisant de la sorte, la robustesse de la commande sera améliorée. En se référant à la figure 7 et en considérant le processus d'arrét, l'énergie stockée dans le ressort comprimée sera régénérce en retour vers la batterie en appliquant les impulsions de courant présentant un déphasage de 180 dogrés par rapport à la position d'armature (en prenant un cycle d'oscillation propre d'armature comme étant 360 dogrés). Conformément aux stipulations des statuts de brevet, la présente invention a été décrite en ce qui est considéré représenter son mode de réalisation préféré. Cependant, il devra être noté que l'invention peut être mise en pratique autrement que comme illustré et décrit en particulier sans s'écarter de son esprit ou de sa portée. REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné à commander un actionneur de soupape électromagnétique (13) comportant une armature (14) positionnée entre des bobines d'ouverture et de fermeture, caractérisé en ce qu'il comprend: un processeur de position (26) destiné à générer un signal d'énergie et des signaux de temporisateur d'ouverture et de fermeture en réponse à un signal de position représentant une position d'une armature d'actionneur de soupape par rapport à des bobines d'ouverture et de fermeture, un contrôleur de courant (27) destiné à générer un signal d'instruction de courant final et un signal d'énergie normalisé en réponse audit signal d'énergie, un générateur d'événement (28) destiné à générer des signaux d'événement en réponse auxdits signaux de temporisateur d'ouverture et de fermeture et audit signal d'énergie normalisé, et un contrôleur logique de supervision (29) destiné à générer des signaux d'initialisation et de transition en réponse audit signal de commande de courant final et auxdits signaux d'événement, lesdits signaux d'initialisation et de transition définissant une amplitude et une durée d'impulsion de courant en vue d'un appui doux de l'armature (14) sur une surface d'appui des noyaux associés aux bobines d'ouverture et de fermeture. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit processeur de position (26) comprend un moyen destiné à différencier ledit signal de position afin d'obtenir un signal de vitesse représentant une vitesse de l'armature et un moyen répondant audit signal de position et audit signal de vitesse en vue de générer ledit signal d'énergie représentant une énergie mécanique totale de l'armature (14). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit processeur de position (26) comprend un moyen destiné à normaliser lesdits signaux de temporisateur d'ouverture et de fermeture utilisant la moitié d'un temps de transition propre de l'armature (14). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit contrôleur de courant (27) comprend un moyen destiné à normaliser ledit signal d'énergie sur la base d'une énergie potentielle maximum sélectionnée afin de générer ledit signal d'énergie ., normallse. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit contrôleur de courant (27) comprend une table de consultation (38) mémorisant des valeurs de l'énergie maximum qui peuvent être injectées dans l'armature en vue d'une pluralité de valeurs d'impulsions de courant, un moyen destiné à estimer une perte d'énergie totale sur la base de l a p o s iti on de l 'armature et un moy en d' instructi on répondant à une valeur d' énergie maximum obtenue à partir de ladite table de consultation et ladite perte d'énergie totale en vue de générer ledit signal d'instruction de courant final. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit générateur d'événement (28) répond audit signal de fermeture de temporisateur afin de générer un signal (cls_app) lorsque l'armature (14) est libérée d'une position d'ouverture de soupape et passe par un point intermédiaire entre la position d'ouverture de soupape et une position de fermeture de soupape, ledit contrôleur logique de supervision (29) répondant audit signal (cls_app) afin de générer l'un desdits signaux d'initialisation en vue de lancer une impulsion de courant dans la bobine fermée. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit contrôleur logique de supervision (29) génère lesdits signaux d'initialisation et de transition afin de définir au moins une impulsion de courant d'amplitude plus élevée pour attirer l'armature vers l'une des bobines, suivie par une période prédéterminée sans impulsion de courant, suivie par une impulsion de courant de maintien d'amplitude plus faible. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit contrôleur de courant (27) comprend un moyen destiné à générer un signal de différence représentant une différence entre une valeur d'énergie d'appui et une valeur d'énergie totale du système et aj outer ledit signal de différence audit signal d'instruction de commande final. 9. Procédé pour commander un actionneur de soupape électromagnétique (13) comportant une armature (14) positionnée entre des bobines d'ouverture et de fermeture, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: a. générer un signal d'instruction de courant final en réponse à un signal de position représentant une position d'une armature d'actionneur de soupape par rapport aux bobines d'ouverture et de fermeture, b. générer un premier signal en réponse audit signal d'instruction de courant fmal définissant une impulsion de courant d'amplitude plus élevée de durée prédéterminée afin d'attirer l'armature vers l'une des bobines, c. générer un second signal en réponse audit signal d'instruction de courant final défini s s ant une p ériode prédéterminée s ans impul s ion de courant, et d. générer un troisième signal en réponse audit signal d'instruction de courant final définissant une impulsion de courant de maintien d'amplitude plus faible en vue d'un appui doux de l'armature (14) sur une surface d'appui d'un noyau associé à la première