Brevet FR2897583A1 — publié le 20070824

PROCEDE ET STRUCTURE DE REGULATION POUR LA REGULATION D'UN ANGLE DE REGLAGE ET D'UN COUPLE DE SORTIE D'UN ACTIONNEUR D'ANGLE DE SUPERPOSITION L'invention concerne un procédé et une structure de régulation pour la régulation d'un angle de réglage et d'un couple de sortie d'un actionneur d'angle de superposition qui fait partie d'un système de direction à superposition d'un véhicule automobile. L'invention concerne par ailleurs un programme informatique et un produit de programme informatique comprenant des moyens de codage de programme pour exécuter le procédé de régulation, ainsi qu'un système de direction à superposition. On connaît, par le document DE 197 51 125 Al un procédé pour faire fonctionner un système de direction. Dans ce procédé, les mouvements de direction, appliqués par le conducteur par l'intermédiaire d'un volant de direction, sont mis en superposition au moyen d'un mécanisme de superposition avec les mouvements d'un servomoteur ou actionneur d'angle de superposition, à l'angle de moteur ou angle de réglage. Le mouvement superposé résultant est transmis par l'intermédiaire du mécanisme de direction ou de la timonerie de direction aux roues directrices pour le réglage de l'angle de braquage. Le servomoteur est constitué ici par un moteur électrique. Le principe de fonctionnement ou les applications effectives d'un tel système de servodirection consistent en particulier dans le fait que le braquage peut être exécuté indirectement par l'intervention du mécanisme de superposition et que l'on peut obtenir par ce moyen de faibles couples sur le volant de direction. Ceci supprime la nécessité de très grands angles du volant de direction, du fait que des angles de réglage appropriés y sont superposés, de sorte qu'avec des angles de volant de direction d'une grandeur habituelle, on peut obtenir les angles de sortie nécessaires. L'angle de réglage nécessaire pour l'assistance de la direction, ou encore sa valeur de consigne, est déterminé à partir de l'angle du volant de direction. En outre, l'angle de réglage peut aussi être fonction de signaux qui représentent des mouvements du véhicule détectés par des capteurs et/ou par d'autres systèmes du véhicule comme, par exemple, un programme électronique de stabilité (EST). Ceci est exécuté par un appareil de commande sur lequel sont exécutés les programmes nécessaires pour la détermination des angles de réglage au moteur nécessaires ou ceux nécessaires pour la commande des applications effectives. La régulation de l'angle de réglage et du couple de sortie de l'actionneur d'angle de superposition ou du moteur électrique d'un tel système de direction à superposition pour véhicule se fait habituellement au moyen d'une régulation asservie de la position de l'angle de réglage et au moyen d'une régulation du courant du couple de sortie sous la forme d'un régulateur en cascade. Lors de la régulation, on doit prendre en compte les propriétés du système de direction à superposition qui sont décrites ci-après : la dynamique, c'est-à-dire le comportement dynamique de la direction au démarrage et en conduite, la haptique, c'est-à-dire la rugosité ou l'ondulation du couple de direction (ce 20 qu'on appelle le "Ripple"), l'acoustique, et - la robustesse de l'actionneur d'angle de superposition, c'est-à-dire la sensibilité aux variations de propriétés mécaniques comme le frottement statique ou l'amortissement visqueux, ainsi qu'aux influences de 25 l'environnement comme la température, les irrégularités de la production et les tolérances de la fabrication. La présente invention a pour but de créer un procédé de régulation et une structure de régulation du genre cité au début qui améliorent un système de 30 direction à superposition ou un actionneur d'angle de superposition en ce qui concerne les propriétés de dynamique, d'haptique, d'acoustique et/ou de robustesse. Selon l'invention, ce problème est résolu par un procédé de régulation pour la régulation d'un angle de réglage et d'un couple de sortie d'un actionneur d'angle de superposition appartenant à un système de direction à superposition d'un véhicule automobile, caractérisé en ce que au moins la régulation de l'angle de réglage s'effectue au moyen d'un régulateur de compensation non linéaire. L'invention concerne également une structure de régulation, destinée à la régulation d'un angle de réglage et d'un couple de sortie d'un actionneur d'angle de superposition qui fait partie d'un système de direction à superposition d'un véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte un régulateur de compensation non linéaire au moins pour la régulation de l'angle de réglage. L'utilisation d'un régulateur de compensation non linéaire apporte avantageusement une nette amélioration du comportement de l'actionneur d'angle de superposition au démarrage ou en conduite. En outre, ceci rend possible une prédétermination directe et de physique mathématique de la dynamique de l'actionneur, c'est-à-dire une influence directe sur la haptique et l'acoustique. Les phénomènes connus de dispersion des propriétés de parcours (par exemple le frottement ou équivalent) peuvent déjà être pris en compte lors de l'étude du régulateur, ce qui améliore nettement la solidité ou la robustesse de l'actionneur d'angle de superposition en utilisation. En outre, une étude du régulateur exécutée selon des procédés connus et reconnus de la technique de régulation implique une preuve de la solidité et de la qualité du régulateur. Selon l'invention, il peut en outre être prévu qu'en supplément, la régulation du couple de sortie s'effectue au moyen d'un régulateur de compensation non linéaire. De cette façon, aussi bien la régulation de l'angle de réglage que la régulation du couple de sortie de l'actionneur d'angle de superposition peuvent s'effectuer au moyen du régulateur de compensation non linéaire. Comme régulateurs de compensation non linéaires, on peut envisager de préférence : - des régulateurs de couple calculé, - des régulateurs de compensation à base d'une linéarisation précise, et - des régulateurs à mode glissant. De tels régulateurs de compensation ou de tels principes de régulateurs sont décrits de façon plus détaillée, par exemple dans "Klier, W., Theoretische Modellbildung, Rechnersimulation und Regelung ràumlicher servopneumatischer Parallelroboter, thèse de doctorat, Université de Kassel, Section Construction mécanique, Spécialité Technique de la régulation, Editions Shaker, 2002". II est avantageux qu'en outre, on utilise un régulateur variable pour la 15 compensation des incertitudes du système. On utilise de préférence au moins un préfiltre différenciateur ou un filtre de variables d'état. 20 Il est avantageux qu'il se produise une estimation basée sur un modèle de l'effort résultant sur la crémaillère. Une mise en oeuvre de ce procédé d'estimation est décrite, par exemple dans "Pnini, B., Steering Rack Forces Model for Active Steering Systems, thèse de diplôme, Département des systèmes de machines et véhicules, Université de technologie Chalmers, 25 Suède, 2004". Il peut aussi être prévu une prédétermination polaire d'au moins deux, en particulier trois, positions polaires. 30 Le procédé de régulation selon l'invention pour la régulation de l'angle de réglage et du couple de sortie d'un actionneur d'angle de superposition d'un système de direction à superposition d'un véhicule automobile est de préférence réalisé sous la forme d'un programme informatique sur l'appareil de commande du système de direction à superposition. Pour cela, le programme informatique est enregistré dans un élément de mémoire de l'appareil de commande. Le procédé est réalisé par l'exécution sur un microprocesseur de l'appareil de commande. Le programme informatique peut être enregistré sur un support de données lisible par ordinateur (disquette, CD, DVD, disque dur, clé USB ou équivalent), ou sur un serveur d'Internet, en qualité de produit de programme informatique et, de là, il peut être transféré dans l'élément de mémoire de l'appareil de commande. L'invention concerne également un système de direction à superposition d'un véhicule automobile dans lequel est intégrée la structure de régulation pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. D'autres réalisations et développements avantageux de l'invention ressortiront des exemples de réalisation de l'invention décrits cidessous et des dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un système de direction à superposition selon l'invention, la figure 2 est un diagramme synoptique schématique d'une structure de régulation pour un système de direction à superposition selon la figure 1, la figure 3 est un diagramme synoptique schématique d'une première forme de réalisation de la structure de régulation selon l'invention, la figure 4 est un diagramme synoptique schématique d'une deuxième forme de réalisation de la structure de régulation selon l'invention, et la figure 5 est un diagramme synoptique schématique d'une troisième forme de réalisation de la structure de régulation selon l'invention.30 La figure 1 représente un système de direction à superposition 1 d'un véhicule automobile non représenté. Le système de direction à superposition 1 comporte un organe de direction constitué par un volant de direction 2. Le volant de direction 2 est relié à un mécanisme de direction 4 par l'intermédiaire d'un arbre articulé 3. Le mécanisme de direction 4 sert à convertir un angle de rotation de l'arbre articulé 3 en un angle de réglage 8Fm de roues directrices 5a, 5b du véhicule automobile. Le mécanisme de direction 4 comporte une crémaillère 6 et un pignon 7 qui est attaqué par l'arbre articulé 3. Le système de direction à superposition 1 comprend en outre des moyens de superposition 8 qui comportent un servomoteur ou actionneur d'angle de superposition constitué par un moteur électrique 9, et un mécanisme de superposition 10 entraîné par ce dernier. Le mécanisme de superposition est constitué par un mécanisme épicycloïdal 10. Le volant de direction 2 prédétermine un angle des roues directrices 8s en tant que mesure pour un angle de braquage souhaité 6Fm des roues directrices 5a, 5b du véhicule automobile. A l'aide du moteur électrique 9, un angle de superposition 8m est généré et mis en superposition avec l'angle 8s du volant par le mécanisme de superposition 10. L'angle de réglage 8m est produit pour l'amélioration de la dynamique de marche du véhicule automobile ou pour l'amélioration du confort. La somme de l'angle 6s du volant et de l'angle de réglage 8M donne l'angle d'entrée du mécanisme de direction 4 ou l'angle de pignon 8G dans le présent exemple de réalisation. Dans un autre exemple de réalisation non représenté, le système de direction à superposition 1 pourrait comporter en outre, en aval des moyens de superposition 8, un servomoteur servant en particulier à l'assistance variable du couple. Le système de direction à superposition 1 comporte un appareil de commande électronique 11 qui sert aussi, entre autres, à la régulation de l'angle de réglage 8m et du couple de sortie du moteur électrique 9. Sur l'appareil de commande électronique 11, se déroule en outre un procédé de régulation qui est exécuté en tant que structure de régulation ou que programme informatique sur un microprocesseur, non représenté, de l'appareil de commande 11. Le moteur électrique 9 est commandé avec un signal de pilotage électrique 8Md qui correspond à la valeur de consigne de l'angle de réglage 8m superposé par le moteur électrique M. Le pilotage ou la régulation du moteur électrique 9 s'effectue de préférence en fonction de la vitesse du véhicule vx, c'est-à-dire que le rapport de transmission entre l'angle 8s du volant de direction et l'angle de pignon 8c ou l'angle de braquage 8Fm des roues 5a, 5b est réglé par la mise en superposition de l'angle 8s du volant avec différents angles de réglage 8m qui sont fonction de la vitesse, en fonction de la vitesse vx du véhicule. De cette façon, il est possible, par exemple, de prédéterminer dans le cas de basses vitesses du véhicule vx, un rapport de transmission relativement petit, auquel une rotation relativement petite du volant de direction 2 conduit à un relativement grand angle de braquage 8Fm des roues 5a, 5b. De même, dans le cas d'une haute vitesse du véhicule vx, on peut envisager, pour des raisons de stabilité, de prédéterminer un rapport de transmission relativement grand. Toutefois, cette dépendance vis-à-vis de la vitesse du véhicule vx est facultative. Pour que les fonctions de commande et de régulation décrites plus haut puissent être exécutées, l'appareil de commande 11 reçoit comme signal d'entrée la vitesse actuelle vx du véhicule (par exemple par l'intermédiaire du bus CAN du véhicule automobile). Par ailleurs, le système de direction à superposition 1 comprend des détecteurs 12a, 12b, 12c qui mesurent l'angle 8s du volant, l'angle de réglage 8M et l'angle du pignon 8G, ou fournissent des signaux équivalents à partir desquels ces angles peuvent être déterminés. Comme indiqué sur la figure 1, l'appareil de commande 11 reçoit, par l'intermédiaire des détecteurs 12a, 12b, 12c et d'autres systèmes du véhicule, entre autres, les signaux d'entrée suivants: angle du volant 8s, angle de pignon 8G, angle de réglage 8M et valeur de consigne de l'angle de réglage 8Md (par exemple en tant que prédétermination en provenance d'autres systèmes de dynamique de marche). En variante ou en supplément, plusieurs de ces quantités peuvent aussi être calculées au moyen des autres grandeurs d'entrée ou de nouvelles grandeurs d'entrée (par exemple la vitesse de rotation des roues, etc.), en particulier à l'aide de modèles appropriés. La figure 2 est un diagramme synoptique d'un circuit de régulation connu ou d'une structure de régulation destinée à la régulation de l'angle de réglage 8m et d'un couple de sortie du moteur électrique 9 du système de direction à superposition 1. Le circuit de régulation comporte à cet effet un régulateur 13 constitué par un régulateur en cascade, une branche à régler 14, des influences perturbatrices 15 et une préparation de signaux 16. Le régulateur 13 présente une régulation asservie 13a pour l'angle de réglage et une régulation du couple de sortie du moteur électrique 9 réalisée sous la forme d'une régulation de courant 13b. La régulation asservie 13a reçoit, en tant qu'entrée, l'angle de réglage de consigne BMd, l'angle de réglage 8m mesuré actuellement ou calculé, et la vitesse d'angle de réglage 6M, mesurée actuellement ou calculée, et elle fournit un couple de consigne souhaité Md à la régulation de courant 13b, laquelle reçoit aussi comme entrées l'angle de réglage actuel 8m ou sa vitesse cSM, ainsi que les courants de phase lu, lä du moteur électrique 9. La régulation du courant 13b, ou le régulateur 13, fournit les tensions Usq, Usd, en tant que signaux de pilotage, au moteur électrique 9 ou à la branche 14. La branche 14 comporte en outre la mécanique d'actionneur 17 qui, finalement, produit l'angle de réglage 8m et renvoie en retour au moteur électrique 9 la vitesse actuelle détectée de l'angle de réglage 8m et renvoie en retour à la préparation des signaux 16 l'angle de réglage actuel 8M détecté. Les influences perturbatrices 15, qui comprennent un mouvement du volant de direction 15a et un mouvement du véhicule ou de l'hydraulique 15b qui est liée à une force de réaction du mouvement du volant Fs, laquelle dépend de l'angle 8s du volant de direction, ou de sa vitesse à s, ou de son accélération SS, ou encore d'une force FFZG du mouvement du véhicule, par l'intermédiaire de la crémaillère 6, qui dépend de la différence de pression pL entre les chambres hydrauliques droite et gauche, ou de l'angle de pignon 8G, agissent sur la branche 14. Trois formes de réalisation de structures de régulation 13', 13", 13"' qui remplacent le régulateur 13 de la figure 2, qui est connu, sont décrites ci-après en référence aux figures 3, 4 et 5. Les structures de régulation 13', 13", 13"' conviennent pour la mise en oeuvre du procédé de régulation selon l'invention, ou représentent des diagrammes synoptiques simplifiés de ce procédé de régulation. La structure de régulation 13' selon la figure 3 comprend un régulateur de compensation non linéaire 13'a, réalisé sous la forme d'un régulateur de couple calculé, qui fournit un couple de consigne souhaité Md du moteur électrique 9 à la régulation de courant 13b également prévue, connue par la figure 2. Par ailleurs, sont prévus des préfiltres différenciateurs 18a et 18b qui calculent, à partir de l'angle de réglage de consigne souhaité 8Md ou de l'angle de réglage 8m mesuré actuellement, à chaque fois les vitesses correspondantes 6M, BMd, et une accélération bMd, et les transmettent à une unité de prédétermination polaire 19, au régulateur de compensation 13'a et à la régulation de courant 13b du couple. L'unité de prédétermination polaire 19 calcule deux positions polaires pour le régulateur de compensation non linéaire 13'a qui, dans l'exemple de réalisation considéré, tient uniquement compte de la mécanique d'actionneur 17. Les coefficients de régulateur Ko, KI sont prédéterminés pour cela. Dans le présent exemple de réalisation, la régulation de courant 13b s'effectue de façon orientée sur le champ. En outre, il se produit, dans une unité 20, une estimation, basée sur un modèle, de l'effort résultant FR sur la crémaillère, qui est transmis comme entrée au régulateur de compensation non linéaire 13'a. Les courants de phase lu, et les tensions de phase U,,, w sont eux aussi mis à la disposition de la régulation de courant 13b. Comme signal de sortie, la structure de régulation 13' fournit les tensions Usq, Usd en qualité de signaux de pilotage pour le moteur électrique 9 (voir la figure 2). La figure 4 représente une autre forme de réalisation d'une structure de régulation selon l'invention 13", sur laquelle aussi bien la régulation de l'angle de réglage Sm que la régulation du couple de sortie du moteur électrique 9 s'effectuent au moyen d'un régulateur de compensation non linéaire 13"c qui prend en compte les dynamiques mécaniques et électriques du système et qui repose sur une linéarisation non précise. Par ailleurs, trois positions polaires sont prédéterminées par l'unité de prédétermination polaire 19" au moyen de coefficients de régulateur Ko, KI, K2. La structure de régulation 13" comprend ainsi un modèle inverse de l'ensemble de l'actionneur d'angle de superposition ou du moteur électrique 9. La figure 5 représente une troisième forme de réalisation d'un procédé de régulation selon l'invention ou d'une structure de régulation selon l'invention 13'. Dans cette réalisation, est prévu un régulateur de compensation non linéaire 13"'c qui prend en compte un modèle inverse de l'ensemble du moteur électrique 9 ou de l'ensemble de la branche 14, c'est-à-dire des dynamiques aussi bien mécaniques qu'électroniques du système. Le régulateur de compensation non linéaire 13"'c est constitué par un régulateur à mode glissant. En outre, il est prévu un régulateur variable 21 pour la compensation d'incertitudes du système. Ce régulateur variable 21 est prioritaire et garantit, en dépit d'imprécisions ou encore de paramètres éventuellement faux, que le système dans son ensemble reste encore stable. Selon le signe de l'erreur en cas d'écart, une correction correspondante est exécutée. A cet effet, il est prévu un coefficient de régulateur KSM (SM) et un coefficient pour les incertitudes du modèle. De tels régulateurs de compensation 13'a, 13"c, 13"'c, la détermination des coefficients correspondants des régulateurs Ko, KI, K2, KSM et la détermination des coefficients pour les incertitudes du modèle sont décrits de façon plus détaillée dans "Klier, W. Theoretische Modellbildung, Rechnessimulation und Regelung râumlicher servopneumatischer Parallelroboter, Thèse de doctorat, Université de Kassel, Section Construction mécanique, Spécialité Technique de la régulation, éditions Shaker 2002". Liste des références 1 Système de direction à superposition 2 Volant de direction 3 Arbre articulé 4 Mécanisme de direction 5a, 5b Roues directrices 6 Crémaillère 7 Pignon 8 Moyen de superposition 9 Actionneur de superposition, moteur électrique 10 Mécanisme épicycloïdal 11 Appareil de commande électronique 12a, 12b, 12c Détecteurs 13,13', 13", 13"' Structures de régulation 13a, b Régulations 13'a, 13"c, 13"'c Régulateurs de compensation non linéaires 14 Circuit 15 Influences perturbatrices 16 Préparation du signal 17 Mécanique d'actionneur 18a, 18b Préfiltres différenciateurs 19, 19', 19" Unités de prédétermination polaires 20 Unité pour l'estimation de FR 21 Régulateur variable pour la compensation d'incertitudes du système 8Fm Angle des roues directrices 8G Angle du pignon 8M Angle de réglage 8Md Couple de consigne 11 8s Angle du volant de direction PL Différence de pression vx Vitesse du véhicule lu, v, w Courants de phases Uu,,,, w Tension de phase Coefficient concernant les incertitudes de modèle K0, K,, K2, KSM Coefficients des régulateurs REVENDICATIONS 1 Procédé de régulation pour la régulation d'un angle de réglage (5M) et d'un couple de sortie d'un actionneur d'angle de superposition (9) qui fait partie d'un système de direction à superposition (1) d'un véhicule automobile, caractérisé en ce que au moins la régulation de l'angle de réglage (SM) s'effectue au moyen d'un régulateur de compensation non linéaire (19', 19", 19"'). 2. Procédé de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur d'angle de superposition est un moteur électrique (9). 3. Procédé de régulation selon la revendication 2, caractérisé en ce que la régulation du couple de sortie s'effectue par l'intermédiaire d'une régulation du courant du moteur électrique (9). 4. Procédé de régulation selon la revendication 3, caractérisé en ce que la régulation du courant du moteur électrique (9) est orientée sur le champ. 5. Procédé de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la régulation du couple de sortie s'effectue en outre au moyen d'un régulateur de compensation non linéaire (19", 19"'). 6. Procédé de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le régulateur de compensation non linéaire (19') est constitué par un régulateur de couple calculé. 7. Procédé de régulation selon la revendication 5, caractérisé en ce que le régulateur de compensation non linéaire (19") repose sur une linéarisation précise. 13 8. Procédé de régulation selon la revendication 5, caractérisé en ce que le régulateur de compensation non linéaire (19"') est constitué par un régulateur à mode glissant. 9. Procédé de régulation selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on utilise en outre un régulateur variable (21) pour la compensation d'incertitudes du système. 10. Procédé de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise au moins un préfiltre différenciateur (18a, 18b). 11. Procédé de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'effectue une estimation basée sur le modèle de l'effort résultant sur la crémaillère du système de direction à superposition (1). 12. Procédé de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'effectue une prédétermination polaire d'au moins deux positions polaires. 13. Structure de régulation (13', 13", 13"') destinée à la régulation d'un angle 20 de réglage (8M) et d'un couple de sortie d'un actionneur d'angle de superposition (9) qui fait partie d'un système de direction à superposition (1) d'un véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte un régulateur de compensation non linéaire (19', 19", 19"') au moins pour la régulation de l'angle de réglage (8M). 25 14. Structure de régulation (13', 13", 13"') selon la revendication 13, caractérisée en ce que le régulateur de compensation non linéaire (19", 19"') est agencé pour la régulation du couple de sortie. 30 15. Structure de régulation (13', 13", 13"') selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour l'exécution du procédé de régulation selon l'une des revendications 1 à 12.15 16. Programme informatique comprenant des moyens de codage de programme pour exécuter un procédé de régulation destiné à la régulation d'un angle de réglage (SM), et d'un couple de sortie d'un actionneur d'angle de superposition (9) qui fait partie d'un système de direction à superposition (1) d'un véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 12, lorsque le programme est exécuté sur un microprocesseur d'un ordinateur, en particulier sur un appareil de commande (11) du système de direction à superposition (1). 17. Produit de programme informatique, comprenant des moyens de codage de programme qui sont enregistrés sur un support de données lisible par ordinateur, pour exécuter un procédé de régulation pour la régulation d'un angle de réglage (5M) et d'un couple de sortie d'un actionneur d'angle de superposition (9) qui fait partie d'un système de direction à superposition (1) d'un véhicule automobile, selon l'une des revendications 1 à 12, lorsque le programme est exécuté sur un microprocesseur d'un ordinateur, en particulier sur un appareil de commande (11) du système de direction à superposition (1). 18. Système de direction à superposition (1) d'un véhicule automobile, comprenant un organe de direction (2) destiné à prédéterminer un angle de volant de direction (Ss) comme mesure pour un angle de braquage souhaité (SFm) pour au moins une roue directrice (5a, 5b) du véhicule automobile, un mécanisme de direction (4) qui convertit l'angle du volant de direction (as) en angle de braquage (SFm) de la au moins une roue directrice (5a, 5b) du véhicule automobile, et - des moyens de superposition (8) destinés à la production d'un angle de réglage (SM) par un actionneur d'angle de superposition (9) et à la 5production d'un angle d'entrée (8G) du mécanisme de direction (4) à partir d'une superposition de l'angle du volant de direction (8s) avec l'angle de réglage, dans lequel l'actionneur d'angle de superposition (9) peut être régulé au moyen d'une structure de régulation selon l'une des revendications 13 à 15.