Brevet FR2839037A1 — publié le 20031031

L'invention concerne un procédé de commande d'une direction assistée électrique pour un véhicule automobile, ainsi qu'un dispositif de mise en u̇vre de ce procédé. La direction d'un véhicule peut être assistée électriquement soit directement quand le volant est relié mécaniquement aux roues directrices, soit de manière découplée ( steer by wire ) quand il n'y a plus de liaison mécanique entre le volant et les roues et qu'un premier moteur électrique sert de guidage aux roues pendant qu'un second moteur permet de restituer un couple résistant sur le volant pour le conducteur. Pour un véhicule automobile, il existe différents critères d'appréciation du comportement d'une direction assistée électrique. En particulier, il est souhaitable qu'une telle direction possède les propriétés suivantes : - à basse vitesse, absence de lourdeur lors des man u̇vres du véhicule ; - à vitesse élevée, maintien du cap du véhicule et progressivité du couple volant ; - retour du volant dans sa position centrale, avec une certaine vitesse de rotation, lorsqu'il est lâché par le conducteur quelle que soit la vitesse du véhicule, aussi bien pour des angles de lâché importants - on parle alors de rappel volant que pour les angles de lâché faibles - on parle de stratégie anti-collage ; - comportement identique de la direction pour tous les véhicules d'un même modèle ;- comportement de la direction insensible aux perturbations extérieures au véhicule telles que les irrégularités du revêtement routier ou les coups de vent. Les systèmes de direction assistée électrique actuels se sont attachés à proposer une direction aisément maniable à basse vitesse en fournissant une assistance directement dépendante du couple volant mesuré et de la vitesse du véhicule. Puis des solutions techniques aux autres points énoncés, indépendantes les unes des autres, ont été proposées en supplément aux lois d'assistance déjà présentes. Ainsi, dans le brevet US 5 703 775, déposé au nom de HONDA, est décrit un système de direction assistée électrique doté d'une loi de commande qui vient s'ajouter aux lois d'assistance classiques et qui définit un couple supplémentaire C à appliquer par le moteur de la direction assistée, du type : dans lequel : est la vitesse de rotation du volant est la vitesse de lacet réelle du véhicule 0 est une vitesse de lacet de référence dépendant de l'angle volant. Cette solution présente deux inconvénients majeurs. Améliorant un point précis, elle détériore la qualité de la direction sur un ou plusieurs autres points. Elle offre une nouvelle loi d'assistance en plus des lois classiques créant des problèmes de commutation entre ces diverses lois de commande et engendrant des discontinuités dans le ressenti du volant. De plus, cette solution ne prend pas en compte les perturbations liées aux irrégularités de la route, qui ont une action directe sur l'angle du volant, non souhaitée par le conducteur, et indirecte sur la vitesse de lacet de référence 0 qui dépend de cet angle volant. Ainsi, la perturbation est interprétée par la loi de commande supplémentaire comme une volonté de changement de cap de la part du conducteur et tend alors à assister ce changement de cap non voulu par le conducteur. Enfin, les trois paramètres f1, f2 et f3 de cette loi de commande sont direction par des oscillations non amorties du volant dues au déphasage entre l'angle volant 0, et la vitesse de lacet 0 . Le but de l'invention est de développer un procédé permettant d'améliorer les différents critères d'appréciation d'une direction assistée électrique sans engendrer de problème de discontinuité dans le ressenti du volant par le conducteur. Pour cela, un premier objet de l'invention est un procédé de commande d'une direction assistée électrique pour véhicule automobile comportant notamment un volant destiné à être tourné par le conducteur pour orienter le véhicule dans une direction et au moins une paire de roues directrices guidant le véhicule dans la direction ainsi définie par l'angle du volant obtenu par application d'un couple volant exercé directement par le conducteur sur le volant, assisté par un couple exercé par un moteur d'assistance électrique, comprenant le calcul en temps réel d'un couple de volant de consigne par l'intermédiaire d'un modèle de référence dynamique à partir des mesures courantes de l'angle du volant, de la vitesse de rotation du volant,de la vitesse du véhicule et l'asservissement du couple mesuré au volant autour de ce couple de consigne pour que le moteur d'assistance électrique fournisse un couple d'assistance à la colonne de direction qui dépend directement de la mesure en temps réel du courant électrique traversant le moteur, et d'une loi d'asservissement dudit courant moteur autour du courant de consigne lcons. Selon une autre caractéristique du procédé de commande, il comporte les trois étapes principales A, B et C, suivantes : - la première étape A) qui réalise la détermination d'un couple volant de consigne (Ccons) à partir de l'angle du volant ( ,) mesuré, de la vitesse du volant ( ) calculée et de la vitesse du véhicule (V) mesurée ; - la deuxième étape B) qui réalise l'asservissement du couple volant (Cv) mesuré autour du couple volant de consigne (Ccons), déterminé à l'étape précédente A), réalisé par le calcul en temps réel du courant de consigne ()cons) à fournir au moteur électrique du système de direction assistée électrique ;- la troisième étape C) qui réalise l'asservissement du courant traversant le moteur électrique du système de direction assistée électrique autour du courant de consigne (Icons) calculé à l'étape précédente B), afin que le moteur fournisse au volant le couple d'assistance Ca permettant d'obtenir le couple volant désiré Selon une autre caractéristique du procédé de commande, lors de l'étape A) de détermination d'un couple volant de consigne Ccons, ledit couple de consigne est calculé en temps réel par l'intermédiaire d'un modèle de référence dynamique, représentant un modèle de direction idéale, se traduisant par :- un premier terme R( ,V ) de raideur, qui représente l'effort à fournir pour tourner le volant, et qui dépend de l'angle volant et de la vitesse du véhicule, sachant que le volant est d'autant plus facile à tourner que l'angle volant est petit, mais que la vitesse du véhicule est faible, - un deuxième terme A ( ,V)* d'amortissement, qui représente un amortissement proportionnel à la vitesse de rotation du volant et dépendant de l'angle du volant et de la vitesse (V) du véhicule, de telle sorte que l'amortissement est d'autant plus grand que l'angle volant ( v) est petit et la vitesse (V) est élevée, minimal à appliquer au volant pour que l'angle de référence soit non nul, et qui est affecté par le sens de variation de l'angle volant ( v)et donc par le signe de sa vitesse par l'intermédiaire de la fonction signe sgn égale à 1 si la vitesse volant est positive et égale à -1 dans le cas contraire, le couple de consigne s'écrivant sous la forme d'une somme de ces trois termes selon l'équation suivante : Un second objet de l'invention est un dispositif de mise en u̇vre du procédé de commande, comportant des capteurs de mesure de l'angle, de la dérivée de cet angle et du couple du volant, de mesure du courant traversant le moteur électrique d'assistance et de mesure de la vitesse du véhicule, et une unité centrale qui reçoit les mesures des capteurs et qui, à partir d'un modèle dynamique de référence d'une direction, délivre un couple volant, asservi à une consigne de couple, au moteur électrique de la DAE pour fournir un couple d'assistance au volant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description du procédé selon l'invention et du dispositif de mise en oeuvre, illustrée par les figures suivantes qui sont : - la figure 1 : les étapes principales du procédé de commande selon l'invention ; - les figures 2, 3 et 4 : un exemple des trois fonctions définissant le modèle du couple volant de consigne ; - la figure 5 : ne représentation schématique d'une direction assistée électrique de véhicule automobile ; - la figure 6 : les étapes de l'asservissement du moteur de la direction assistée ; - la figure 7 : le schéma de principe de la synthèse H ; - la figure 8: le schéma d'un exemple de dispositif de mise en u̇vre du procédé. Le procédé de commande d'une direction assistée électrique de véhicule automobile comporte trois étapes principales A, B et C, comme le montre schématiquement la figure 1. La première étape A) réalise la détermination d'un couple volant de consigne Ccons à partir de l'angle ev du volant 2, mesuré à l'étape e1), de la vitesse du volant calculée ou mesurée à l'étape e2) et de la vitesse du véhicule V, mesurée à l'étape e3). La deuxième étape B) concerne l'asservissement du couple volant v mesuré à l'étape e4) autour du couple volant de consigne Ccons , déterminé à l'étape précédente A), réalisé par le calcul en temps réel du courant de consigne )cons à fournir au moteur électrique 4 du système de direction assistée électrique. La troisième étape C) réalise l'asservissement du courant 1 qui traverse le moteur électrique du système de direction assistée électrique, et qui est mesuré à l'étape e5), autour du courant de consigne Icons calculé à l'étape précédente B). Le moteur 4 est alimenté par une tension U déterminée pour qu'il fournisse au volant 2 le couple d'assistance Ca permettant d'obtenir le couple volant désiré. Ce procédé de commande nécessite la mesure de cinq grandeurs qui sont le couple volant, l'angle et la vitesse du volant, la vitesse du véhicule et le courant traversant le moteur d'assistance à la direction. Lors de l'étape A) de détermination d'un couple volant de consigne Ccons, le couple de consigne est calculé en temps réel par l'intermédiaire d'un modèle de référence dynamique, représentant un modèle de direction idéale. En faisant varier les paramètres et/ou la structure de ce modèle de référence, on peut faire varier directement le comportement réel de la direction ressenti par le conducteur. Le modèle du couple ressenti au niveau du volant se rapproche d'un ressort présentant une certaine raideur, avec un amortissement et des frottements secs. Le couple de consigne s'écrit sous la forme d'une somme de trois termes selon l'équation suivante : dans laquelle : V est la vitesse du véhicule v est l'angle du volant est la vitesse de rotation du volant. Le premier terme R( ,V) représente l'effort à fournir pour tourner le volant, et qui dépend de l'angle volant et de la vitesse du véhicule. Le volant est d'autant plus facile à tourner que l'angle volant est petit, mais que la vitesse du véhicule est faible, comme le montre la figure 2, qui représente les variations du coefficient R en fonction de v et de V. Ce coefficient R est une fonction linéaire par morceaux de l'angle volant à vitesse véhicule fixe et dont la pente représente la raideur ressentie par le conducteur. la vitesse de rotation du volant pour éviter les oscillations du volant. Le coefficient d'amortissement A dépend de l'angle du volant et de la vitesse du véhicule, comme le montre la figure 3. A est d'autant plus grand que l'angle volant v est petit et la vitesse V élevée. Sur l'exemple non limitatif de cette figure, le coefficient est une fonction linéaire par morceaux de v et V. apporter un effort quand le conducteur tourne le volant lors d'une sortie de ligne droite. C'est le couple minimal à appliquer au volant pour faire bouger le volant. Ce terme Csec est affecté par le sens de variation de l'angle volant v et donc par le signe de sa vitesse. C'est pourquoi la fonction signe sgn est appliquée au coefficient de frottements secs, dont la variation en fonction de la vitesse du véhicule V est représentée sur la figure 4. Sur cet exemple non limitatif, la variation est linéaire. Cet effort à tourner le volant est relativement important à très faible vitesse, inférieure à 10km/h. La fonction signe sgn est égale à 1 si la vitesse volant est positive et égale à -1 dans le cas contraire. Ainsi, lorsque le couple volant est asservi autour de ce couple de consigne Ccons. le volant se comporte comme s'il y avait une raideur en torsion entre le tableau de bord et lui, un amortissement réglé par le terme A( v ,V) et des frottements secs. L'invention consiste ensuite, à l'étape B), à asservir le couple volant réel Cv mesuré et appliqué par la colonne au volant, autour du couple volant de consigne Ccons précédemment calculé. Ce couple volant Cv, qui est ressenti par le conducteur au niveau du volant et mesuré par un capteur à l'étape e4), est composé des efforts qui remontent des roues dans la direction et du couple appliqué par le système d'assistance à la direction assistée. Cet asservissement de couple est obtenu par réglage de l'intensité du courant fourni au moteur électrique de la direction assistée. Le but est donc de fournir, en fonction de la différence entre le couple volant mesuré et le couple de consigne, la consigne de courant lcons, qui sera transformée en couple d'assistance Ca à l'étape C). Ce couple permet ensuite d'atteindre le couple volant désiré. Comme le montre le schéma de la figure 5, la direction assistée est constituée d'une colonne de direction 1 reliant le volant 2 aux roues 3 du véhicule et dont la rotation est facilitée par un moteur 4 pilotant un réducteur 5. Un capteur 6 de couple délivre la mesure du couple Cv existant dans le volant et la colonne. Si on considère le système G constitué du moteur de la direction assistée électrique, du volant, du capteur de couple et du réducteur et si on note : Ccol : le couple remontant dans la colonne depuis les roues dans la direction, et considéré comme une perturbation Cv : le couple mesuré par le capteur de couple entre le volant et la colonne Ccond : le couple exercé par le conducteur sur le volant I : l'intensité du courant traversant le moteur s : la variable de Laplace En négligeant les frottements secs, les transferts entre l'intensité, le couple au volant, le couple remontant dans la colonne de direction et le couple mesuré par le capteur s'expriment par l'équation : s étant la variable de Laplace et a, b, c et d étant des coefficients dépendant des caractéristiques des éléments qui constituent la direction assistée électrique, c'est-à-dire du rapport de réduction du réducteur, l'inertie du volant et celle du moteur, entre autres. Le système G ainsi modélisé est donc résonnant, car la raideur du capteur de couple introduit un mode de vibration qui provoque des oscillations. Pour le stabiliser, le procédé va calculer un courant de commande comprenant un terme d'amortissement la proportionnel à la dérivée du couple mesuré par rapport au temps : Ainsi, le couple mesuré par le capteur s'écrit : les coefficients a' à e' dépendant des caractéristiques de la direction assistée électrique DAE et du coefficient kd défini précédemment. Cette étape d'asservissement du couple volant Cv ainsi défini autour de la consigne de couple volant Ccons est réalisée par un correcteur K à deux entrées, dont l'une est précisément le couple mesuré Cv par le capteur et l'autre est l'erreur E entre le couple et la valeur de consigne, et subissant deux perturbations, dont l'une est le couple Ccond appliqué par le conducteur sur le volant et l'autre est le couple Ccol remontant des roues, qui sont deux inconnues, comme le montre le schéma de l'asservissement du moteur sur la figure 6. Un exemple particulier, mais non limitatif, de correcteur est un correcteur par synthèse H oo . Pour un système P(p) donné, l'algorithme calcule le correcteur K(p) qui minimise la norme H infini du transfert entre les entrées w et les sorties e, comme le montre le schéma du principe de la synthèse H oo , sur la figure 7.Le système P(p) étant constitué des différents éléments de la direction assistée électrique, les entrées w sont : - la consigne de couple pondérée Ccons. - le couple remontant de la colonne Ccol pondéré, - le bruit provoqué par le capteur qui entraîne une perturbation sur la mesure du couple Cv ; les sorties e sont : - l'erreur pondérée entre la consigne de couple Ccons et le couple mesuré Cv, - le courant de commande 1 du moteur, pondéré c'est-à-dire minimisé pour être le plus économique et le moins destructeur pour le moteur. Le correcteur K reçoit en entrée z l'erreur E entre la consigne de couple Ccons et le couple mesuré Cv, pour délivrer en sortie la commande u, soit la consigne de courant )cons au moteur de la direction assistée électrique DAE, comme le montre le schéma de l'asservissement du moteur sur la figure 6. Cette consigne de courant )cons comprend un premier terme obtenu à partir du correcteur K (Cv, Ccons) et un deuxième terme d'amortissement la mentionné auparavant : Les pondérations, qui sont fonction de la fréquence des signaux, permettent d'orienter la minimisation du courant de commande du moteur en accord avec les objectifs d'économie et de préservation du moteur de la direction électrique assistée DAE et de spécifier les performances à atteindre par le système. Enfin, lors de la troisième étape C), le courant effectif I du moteur électrique mesuré par un capteur de courant, à l'étape e5), est asservi par un régulateur R autour de cette valeur de consigne Icons, calculée à l'étape précédente B). Dans le cas d'un moteur à courant continu, l'asservissement peut être réalisé par exemple par un régulateur numérique de type RST , où R, S et T sont des polynômes de la variable de Laplace, calculés hors ligne en fonction des caractéristiques du moteur électrique utilisé et du type de réponse souhaité aux consignes. D'autres types de moteur électrique peuvent être régulés autrement. Le moteur électrique peut être également du type réluctance variable par exemple, dont la régulation est assurée par un contrôleur autre que RST.Ainsi, le moteur de la direction assistée électrique fournit un couple d'assistance Ca à la colonne de direction qui dépend directement de la mesure en temps réel du courant électrique I traversant le moteur, et d'une loi d'asservissement dudit courant moteur autour du courant de consigne )cons. Un second objet de l'invention est un dispositif de mise en u̇vre du procédé de commande, représenté sur le schéma de la figure 8, comportant des capteurs 10 de mesure de l'angle, de la dérivée de cet angle et du couple du volant, de mesure du courant traversant le moteur électrique d'assistance et de mesure de la vitesse du véhicule, et une unité centrale 11 qui reçoit les mesures des capteurs et qui, à partir d'un modèle dynamique de référence d'une direction, délivre une tension d'alimentation U au moteur électrique 4 de la direction assistée électrique DAE pour fournir un couple d'assistance Ca au volant 2. Le procédé d'assistance selon l'invention présente les avantages suivants. Il s'adapte facilement à une demande précise de comportement de la direction en traduisant cette dernière en terme de modèle de référence. En particulier, il est facile de faire varier le niveau d'assistance pour une vitesse véhicule donnée, d'obtenir des caractéristiques précises de rappel volant telles qu'une vitesse de retour volant et un angle résiduel de retour volant prédéterminés, et d'éviter les problèmes de collage. Le procédé permet également de rejeter automatiquement les irrégularités de la route qui se traduisent habituellement par des perturbations perçues au niveau du volant par le conducteur. Le couple ressenti est en effet asservi autour d'un couple de consigne indépendant des irrégularités de la route. L'angle volant est aussi moins sensible à ces perturbations. Le procédé permet de normaliser le comportement de la direction, puisque, quel que soit le véhicule considéré et malgré la dispersion des grandeurs mécaniques de la direction, à un même angle volant correspond le même couple ressenti. Enfin, il permet d'obtenir, pour un angle volant donné, toujours le même couple volant, quel que soit l'état d'adhérence de la route, ce qui évite des angles de braquage ne correspondant pas à la volonté du conducteur. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'une direction assistée électrique pour véhicule automobile comportant notamment un volant destiné à être tourné par le conducteur pour orienter le véhicule dans une direction et au moins une paire de roues directrices guidant le véhicule dans la direction ainsi définie par l'angle du volant obtenu par application d'un couple volant exercé directement par le conducteur sur le volant, assisté par un couple exercé par un moteur d'assistance électrique, caractérisé en ce qu'il réalise le calcul en temps réel d'un couple de volant de consigne (Ccons) par l'intermédiaire d'un modèle de référence dynamique à partir des mesures courantes de (V) et l'asservissement du couple (Cy) mesuré au volant autour de ce couple de consigne pour que le moteur d'assistance électrique fournisse un couple d'assistance (Ca)à la colonne de direction qui dépend directement de la mesure en temps réel du courant électrique traversant le moteur, et d'une loi d'asservissement dudit courant moteur autour du courant de consigne (Icons). 2. Procédé d'assistance d'un véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les trois étapes principales A, B et C, suivantes : - la première étape A) qui réalise la détermination d'un couple volant de consigne (Ccons) à partir de l'angle du volant ( ) mesuré, de la vitesse du volant ( ) calculée et de la vitesse du véhicule (V) mesurée ; - la deuxième étape B) qui réalise l'asservissement du couple volant (CI,) mesuré autour du couple volant de consigne (Ccons), déterminé à l'étape précédente A), réalisé par le calcul en temps réel du courant de consigne (Icons) à fournir au moteur électrique du système de direction assistée électrique ; - la troisième étape C) qui réalise l'asservissement du courant traversant le moteur électrique du système de direction assistée électrique autour du courant de consigne (Icons) calculé à l'étape précédente B), afin que le moteur fournisse au volant le couple d'assistance (Ca) permettant d'obtenir le couple volant désiré. 3. Procédé d'assistance d'un véhicule automobile selon la revendication 2, caractérisé en ce que, lors de l'étape A) de détermination d'un couple volant de consigne Ccons. ledit couple de consigne est calculé en temps réel par l'intermédiaire d'un modèle de référence dynamique, représentant un modèle de direction idéale, se traduisant par : - un premier terme {R( v,V ) } de raideur, qui représente l'effort à fournir pour tourner le volant, et qui dépend de l'angle volant et de la vitesse du véhicule, sachant que le volant est d'autant plus facile à tourner que l'angle volant est petit, mais que la vitesse du véhicule est faible, amortissement proportionnel à la vitesse de rotation du volant et dépendant de l'angle du volant et de la vitesse (V) du véhicule, de telle sorte que l'amortissement est d'autant plus grand que l'angle volant ( v) est petit et la vitesse (V) est élevée, minimal à appliquer au volant pour que l'angle de référence soit non nul, et qui est affecté par le sens de variation de l'angle volant ( v) et donc par le signe de sa vitesse par l'intermédiaire de la fonction signe sgn égale à 1 si la vitesse volant est positive et égale à -1 dans le cas contraire, le couple de consigne s'écrivant sous la forme d'une somme de ces trois termes selon l'équation suivante : 4. Procédé d'assistance d'un véhicule automobile selon la revendication 3, par morceaux de l'angle volant à vitesse véhicule fixe et dont la pente représente la raideur ressentie par le conducteur. 5. Procédé d'assistance d'un véhicule automobile selon la revendication 3, caractérisé en ce que, le système à commander constitué du moteur de la direction assistée électrique, du volant, du capteur de couple et du réducteur étant résonnant à cause de la raideur du capteur de couple qui introduit un mode de vibration provoquant des oscillations, le procédé va calculer un courant de consigne comprenant un terme d'amortissement lam proportionnel à la dérivée du couple volant (Cv) mesuré : 6. Procédé d'assistance d'un véhicule automobile selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'asservissement du couple volant (Cv) mesuré autour de la consigne de couple (Ccons) est réalisé par un correcteur (K), à deux entrées, dont l'une est précisément le couple mesuré (Cv) par le capteur et l'autre est l'erreur (E) entre le couple et la valeur de consigne, et subissant deux perturbations, dont l'une est le remontant des roues, pour délivrer en sortie la consigne de courant ()cons) au moteur de la direction assistée électrique, qui comprend un premier terme {K (Cv, Ccons)} obtenu à partir du correcteur et un deuxième terme d'amortissement (la) : 7. Procédé d'assistance d'un véhicule automobile selon la revendication 6, caractérisé en ce que, le moteur électrique de la direction assistée étant du type à courant continu, l'asservissement du courant effectif du moteur électrique autour de la valeur de consigne (icons) est réalisé par un régulateur numérique du type RST , où R, S et T sont des polynômes de la variable de Laplace, calculés hors ligne en fonction des caractéristiques du moteur électrique et du type de réponse souhaité aux consignes. 8. Procédé d'assistance d'un véhicule automobile selon la revendication 6, caractérisé en ce que le correcteur réalisant l'asservissement du couple mesuré est de type H infini. 9. Dispositif de mise en u̇vre du procédé de commande d'une direction assistée électrique pour véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte des capteurs (10) de mesure de l'angle, de la dérivée de cet angle et du couple du volant, de mesure du courant traversant le moteur électrique d'assistance et de mesure de la vitesse du véhicule, et une unité centrale (11) qui reçoit les mesures des capteurs et qui, à partir d'un modèle dynamique de référence d'une direction, délivre un couple volant, asservi à une consigne de couple, au moteur électrique (12) de la direction assistée électrique DAE pour fournir un couple d'assistance au volant.