Brevet FR2909960A1 — publié le 20080620

PROCEDE D'ASSISTANCE AMELIORE POUR SYSTEME DE DIRECTION DE VEHICULE AUTOMOBILE La présente invention s'applique à tout système de direction d'un véhicule, notamment d'un véhicule automobile, possédant au moins un moteur électrique permettant d'entrainer la crémaillère de direction et donc de faire tourner les roues. De tels systèmes de direction pourvus d'une assistance au conducteur de type électrique (connu sous l'acronyme DAE) permettent de réduire l'effort du conducteur sur le volant pour orienter les roues et notamment lorsque le véhicule est à l'arrêt durant les manoeuvres de stationnement ou lorsque le véhicule est roulant durant des situations d'urgences. L'invention s'applique aussi bien pour les systèmes de direction à assistance électrique sur pignon (le moteur électrique est relié directement sur le pignon, (terme anglais P-EPS Pignon Electric Power Steering system), que pour les DAE à colonne (le moteur électrique est relié en haut de la colonne de direction proche du volant, terme anglais C-EPS Column Electric Power Steering system), que pour les DAE sur crémaillère (le moteur électrique est relié sur la crémaillère via un autre pignon, terme anglais R-EPS Rack Electric Power Steering system), que pour les systèmes dits Steer by wire (aussi appelé SBW correspondant à un R-EPS mais sans colonne de direction donc sans liaison mécanique entre le volant et la crémaillère). La figure 1 montre un exemple d'un système de direction assistée électrique de l'état de l'art d'un véhicule automobile comportant une colonne de direction et un volant. Le dispositif de direction représenté à la figure 1 comporte notamment un 30 volant 10 solidaire en rotation d'un pignon 12 par l'intermédiaire d'une colonne de direction 14 qui peut comporter une ou plusieurs parties. Le pignon 12 est engrené sur une crémaillère 16 entraînée en translation par le pignon 12 lors d'une action de rotation du volant par le conducteur. La crémaillère 16 est solidaire des roues du véhicule par le biais de deux biellettes de 35 direction : une biellette droite 24, solidaire de l'extrémité droite 26 de la crémaillère 16 et de la roue droite 28, et une biellette gauche 30, solidaire de l'extrémité 2909960 2 gauche 32 de la crémaillère 16 et de la roue gauche 34 ; chaque roue comportant des pneumatiques par lesquels remontent les efforts dus à la route. Dans cet exemple de réalisation de la figure 1, le dispositif de direction comporte en outre un capteur de couple 40 disposé sur la colonne de direction 14 5 et pour l'assistance au conducteur, un réducteur 44 couplé d'une part à un moteur électrique 46 et d'autre part au pignon 12. L'objectif d'un système de direction assisté est d'aider le conducteur à diriger son véhicule. Sur certain système de direction comme la direction à 1 o assistance électrique, il est possible de faire varier l'assistance. L'assistance sera pilotée à partir des signaux, par exemple représentatifs du couple volant Cvo,, ou de l'angle volant Ovo,, notamment (voir figure 1). Pour une direction à assistance électrique, le pilotage se fera à partir du moteur électrique à l'aide d'une tension de commande U. 15 Un pilotage précis et performant de l'amplitude de l'assistance nécessite la connaissance précise et robuste de différents couples et efforts mis en jeu comme le couple disponible en sortie du moteur électrique ou l'effort appliqué à la crémaillère. On doit donc utiliser des modèles mathématiques représentatifs des 20 phénomènes physiques. Ces modèles mathématiques doivent être construits en se basant sur les relations de cause à effet (causalité) : une tension de commande U appliquée au moteur induit un courant I qui génère un couple électrique. Ce dernier fait tourner l'arbre moteur qui génère un couple sur le réducteur, couple qui assure la rotation de la colonne qui génère à son tour un couple au volant et un 25 couple au pignon. Le couple pignon entraine la crémaillère et génère alors un effort crémaillère. Dans l'exemple de causalité ci-dessus, le moteur électrique est menant : c'est lui qui est à l'origine de la rotation de la colonne de direction et du déplacement de la crémaillère. Lors d'un choc sur le train avant du véhicule, dû par exemple au roulage sur une ornière, le moteur électrique est mené : c'est la crémaillère qui fait bouger la colonne de direction et le moteur de la DAE. Lors d'une manoeuvre rapide d'un conducteur sur le volant, par exemple, le moteur électrique est mené : c'est le volant qui fait bouger le moteur électrique 35 et la crémaillère. 2909960 3 Dans un système de direction, il y a des engrenages (réducteur et pignon). La valeur du rendement de ces engrenages varie fortement suivant que le moteur électrique est menant ou mené, c'est-à-dire suivant le sens du transfert 5 de puissance (des roues vers le volant ou du volant vers les roues). Les valeurs issues des modèles vont aussi varier fortement. Il faut donc connaître la situation de vie du moteur, menant ou mené, à tout instant, pour adapter des valeurs des paramètres, ou variables, exploités par les modèles mathématiques utilisés. 10 Pour connaître le sens des transferts de puissance, il faut mesurer la puissance de part et d'autre des engrenages, c'est-à-dire, mesurer de part et d'autre des engrenages le couple et la vitesse de rotation. Mais pour des raisons de coût, de place et de fiabilité, il n'est pas possible de mesurer toutes ces 15 valeurs. Un but de la présente invention est notamment de déterminer la situation de vie menant ou mené du moteur électrique à partir des capteurs existants. Ceci permettra de corriger en temps réel certaines valeurs du modèle mathématique 20 utilisé et améliorer sensiblement les lois de contrôle commande du système de direction. On aura alors un gain en agrément de direction. A cet effet, l'invention propose un procédé d'assistance amélioré pour système de direction de véhicule, notamment de véhicule automobile, du type comportant : 25 une crémaillère, un pignon engrené sur la crémaillère pouvant être entraînée en translation par le pignon, la crémaillère étant reliée par ses deux extrémités aux roues directrices du véhicule et un moyen d'assistance couplé au pignon, caractérisé en ce qu'il consiste : 30 - à détecter le sens de transfert des puissances exercées sur le moyen d'assistance pour déterminer le sens menant ou mené des moyens d'assistance ; et - à adapter le paramétrage de moyens de calcul d'assistance en fonction du sens menant ou mené des moyens d'assistance pour tenir compte des 35 différentes situations de vie du véhicule. 2909960 4 Avantageusement le procédé consiste à fournir, via les moyens de calcul une information Flag variable pouvant prendre une des valeurs 0, 1 ou 2 indiquant dans quel état se trouve le moyen d'assistance, soit : 5 - une information `0' pour une situation de vie MeneParDefaut , lorsque le véhicule roule en ligne droite , - une information `1' pour Menant , lorsque les moyens d'assistance(46) transfèrent de la puissance à la crémaillère (26); - une information `2' pour Mene lorsque la crémaillère transfère de la 1 o puissance au moyen d'assistance, les moyens de calcul fournissant en outre une information etat , variable indiquant si le moyen d'assistance est menant (etat=0) ou mené (etat=1), Dans une réalisation du procédé, les informations Flag et etat sont 15 déterminées en fonction : - de grandeurs représentatives du couple moteur exercé par le moyen d'assistance, - du couple de torsion exercé sur le pignon, - de l'angle de rotation du volant du véhicule, 20 Dans une autre réalisation, à partir d'un premier état (A) MeneParDefaut , le moyen d'assistance étant mené (etat=1), le véhicule étant en ligne droite (Flag=O), le procédé consiste à fournir une information d'état passant du premier 25 état (A) à un second état (B), soit de l'état MeneParDefaut (etat=1) (FIag=O) à l'état Menant (etat=0) (Flag=1) dès que la grandeur physique représentative du couple moteur exercé par le moyen d'assistance est supérieure à une valeur prédéterminée 11, la valeur physique maximum variable calculée lorsqu'on se trouve dans 3o l'état Menant étant mise à zéro. Dans une autre réalisation, à partir du second état (B) Menant (etat=0) (Flag=1), la plus grande valeur de la grandeur physique mesurée est sauvegardée dans la variable grandeur physique maximum 2909960 5 Dans une autre réalisation, si la grandeur physique mesurée devient à nouveau inférieure au seuil 11 et, que la valeur absolue Thv de l'angle volant soit petite, inférieure à un seuil Thvl , le procédé consiste à fournir à nouveau l'information du premier état (A) 5 MeneParDefaut , (etat=1), (FIag=O). Dans une autre réalisation, à partir du second état (B) Menant (etat=0) (Flag=1), si le couple de torsion est de valeur Cccl suffisante, par exemple de 10 valeur Cccl > 1 N.m, si la grandeur physique diminue et devient inférieure à la valeur physique maximum d'une valeur 12 et, si la grandeur physique est supérieure à une valeur 13, le procédé consiste à fournir une information passant du deuxième état (B) au troisième état 15 (C) (etat=1), (Flag=2), la grandeur physique maximum étant constante et étant égale à la dernière valeur maximum calculée dans le deuxième état (B) Menant , dans les cas contraires, on reste dans le deuxième état (B), l'état Menant . 20 Dans une autre réalisation, si la grandeur physique augmente à nouveau et dépasse la valeur maximum d'une valeur 14 et, wv étant la valeur de la valeur absolue de la vitesse de rotation de l'angle volant, 25 si on tourne le volant avec une vitesse de rotation wv supérieure à une valeur wvl, par exemple une vitesse de rotation du volant wv1> 0.09 rad/s, le procédé consiste à fournir une information passant dans le deuxième état (B), l'état Menant (etat=0, Flag=l ). 30 Dans une autre réalisation, si la valeur physique devient inférieure à un seuil prédéterminé 15, si le couple volant Ccc mesuré devient inférieur à un deuxième seuil prédéterminé Ccc2, par exemple 1 N. m et, si l'angle volant Thv devient un angle Thv2 proche de zéro, par exemple 35 inférieur à 0,4 rad, le procédé consiste à fournir une information passant du 2909960 6 troisième état (C) vers le premier état (A), soit dans l'état MeneParDefaut correspondant à l'état mené en ligne droite. Dans une autre réalisation, le procédé comporte des étapes de calcul de 5 la valeur physique maximum. Dans une autre réalisation, le moyen d'assistance comporte un moteur électrique couplé à un réducteur engrainé sur la crémaillère, la grandeur physique mesurée étant le courant électrique d'alimentation du moteur fournit par un 1 o capteur de courant moteur du système de direction. Dans une autre réalisation, le pignon étant entraîné en rotation par une colonne de direction actionnée par un volant, la colonne de direction comportant un capteur de couplé fournissant l'information de couple Ccc de torsion de la 15 colonne de direction tel que : Ccc Kbdt (e01 ù epig ) Ovol étant l'angle de rotation du volant, 20 Opig étant l'angle de rotation du pignon, en connaissant la raideur Kbdt la raideur de la colonne de direction (par exemple 100 N.m/rad ) L'invention sera mieux comprise à l'aide d'un exemple de réalisation du 25 procédé de détection de situation de vie du moteur électrique en référence aux dessins indexés dans lesquels: - la figure 1, déjà décrite, montre un système de direction électrique de l'état de l'art d'un véhicule automobile ; - la figure 2 représente le système de direction de la figure 1 comportant 30 des moyens de calcul pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; - la figure 3 montre un diagramme d'état du moteur électrique du système de direction assistée de la figure 2 ; - la figure 4 montre un schéma bloc d'un détecteur de situation de vie du moteur électrique et ; 2909960 7 - la figure 5 montre un organigramme de calcul du courant 1_max du moteur électrique. Tout d'abord, on introduit quelques notations et équation pour un 5 système de direction à assistance électrique : On dispose, au niveau du volant, d'une valeur de l'angle volant Ovol. On dispose, en sortie du capteur de couple (40), d'une valeur de 1 o couple. Classiquement, le capteur de couple est constitué de deux capteurs d'angle de rotation de part et d'autre d'une barre de torsion de raideur calibrée. Le capteur fourni une information qu'est le produit de la différence d'angle de rotation par la raideur. Si on note Ccc le couple délivré par le capteur de couple, Ovol l'angle de rotation du volant, et Opig l'angle de rotation du pignon, en 15 connaissant la raideur (Kbdt-100 N.m/rad) de la barre de torsion du capteur de couple, on a l'équation : Ccc Kbdt (e01 ù epig) (1) Le capteur de couple ne tient donc pas compte de l'amortissement induit par la colonne Abdt (qui peut être de l'ordre de 1 N.m.s/rad environ). Le couple volant appliqué sur le pignon 12, Cvol/pig, est : 20 Cvol / pig vol ù epig )+ Abd, (covoi ù pig O 2 25 avec GJvol et Opig les vitesses respectives de rotation du volant et du pignon. 30 On dispose, au niveau du moteur électrique d'assistance 46, du courant moteur, Imot, et aussi généralement de la tension moteur Umot. Notant respectivement R (environ 0,05 S2), L (environ 1 mH), Ke (environ 0,05 N.m/A), et mot , 0mot, respectivement la résistance, l'inductance, la constante de conversion électromécanique courant/flux, et la vitesse de rotation du moteur, on a les 35 équations électriques classiques d'un moteur à courant continu suivantes : 2909960 8 d L dt'mot _ Umot ù R'mot ù Ke Wmot Cmot Ke I mot (4) Parallèlement, on a aussi les équations mécaniques si on note respectivement Bmot (environ 10-4 N.m.s/rad), Smot (environ 0,01 N.m), et Cmot/red, respectivement l'amortissement mécanique, le frottement sec, et le couple moteur d'assistance sur le réducteur 44 (c'est-à-dire la charge vue par le moteur) : 10 mot dt Wmot Ke I mot ù Bmot Wmot ù Smot sgn(con,ot)ù CmoUred (5) Au niveau du réducteur 44, il existe les relations suivantes avec n le rapport de 15 réduction (environ 15/1), 11red le rendement qui est variable et dépend selon que le moteur mène le pignon 12 ou que le pignon mène le moteur 46 de la DAE : nepig =emot (6) 20 n 0pig = omot (7) 1 CmoUpig 1/red Cmot/red (8) n Au niveau du pignon 12, avec Rpig (environ 0,073 m) le rayon de pignon, 25 ycre et vcre étant respectivement la position et la vitesse de déplacement de la crémaillère, il vient naturellement que : Rpig epig = vcre (9) (3) 5 30 Rpig 60pig =Vcre (10) 2909960 9 En négligeant la dynamique du pignon puisque l'inertie du pignon 12 est extrêmement faible (sensiblement inférieure à 0.0007 kg.m2), le couple pignon sur la crémaillère 16 est : 5 Cpig/cre Cvol/pig + Cmot/pig (1 1 ) Au niveau de la crémaillère 16, tout comme le réducteur, l'effort pignon est fonction d'un rendement modélisant les pertes par frottements. Ce rendement, i)pig, est variable et dépend selon que le pignon mène la crémaillère ou que la 1 o crémaillère mène le pignon : F. ù 1/plg R pig 15 La dynamique de la crémaillère est donnée par la relation suivante : More dt vcre =F. g ùBcre ocre ù Sere sgn(vcre) ù Fcre (13) où Mcre est la masse de la crémaillère qui se déplace, de l'ordre de 2 kg, 20 Bcre est un amortissement de l'ordre de 1500 N/(m/s) qui peut être différent si on tourne à gauche ou à droite, Scre représente le frottement sec de l'ordre de 150 N qui peut être différent si on tourne à gauche ou à droite. Avant de décrire les dispositifs et procédés d'estimation du Cmot/red, du détecteur de situation de vie menant/mené, du Cmot/pig, du Cpig/ore, de Fpig, et de 25 Fore, on donne par la suite quelques relations supplémentaires. Considérant les équations (1) et (2), on peut tout d'abord exprimer l'angle pignon, 6pig, en fonction des mesures de l'angle volant et du signal délivré par le capteur de couple 40, puis dériver ce signal pour obtenir la vitesse de rotation, 30 (Opig, utiliser le réducteur pour calculer l'angle moteur, Omot et finalement dériver ce dernier pour obtenir la vitesse de rotation du moteur, wmot : Cpig/cre (12) (14) 2909960 10 d GJpig = dt ePl (15) e = ePig (16) mot n d (17) t = dt emor 10 Les équations du système étant écrites, nous allons décrire le détecteur de situation de vie moteur menant ou menée. On a besoin d'un détecteur de situation de vie moteur, moteur menant si le moteur électrique mène la colonne de direction/le pignon, ou moteur mené, si la 15 colonne de direction mène le moteur électrique direction/le pignon. Ceci permettra de piloter la valeur du rendement du réducteur (voir équation (8)). Le rendement représente les pertes de puissance dues aux frottements. La valeur apparente du rendement change suivant le sens du transfert de 20 puissance. - la puissance en entrée du réducteur : Cmotlred * wmot ; - la puissance en sortie du réducteur : Cpiglcre * wpig 25 Selon l'invention, on considère que le moteur de la DAE est menant lorsque Cmotlred Cpiglcre * Wpig Inversement, le moteur est mené lorsque Cmotlred * mot 1 N.m, si le courant moteur lm diminue et devient inférieur à l_max d'une valeur 12, par exemple 12=1,5 A et, si le courant moteur lm est supérieur à une valeur 13, par exemple 13=2 A, alors on passe 84 dans un 1 o troisième état C (décrit ci-après) , l'état Mene . Le procédé consiste à fournir une information passant du deuxième état B au troisième état C (etat=1, Flag=2), Dans les cas contraires, on reste dans le deuxième état B, l'état Menant . 15 • troisième état C : Mene On passe du deuxième état B menant au troisième état moteur mené C (etat=l) et dans la situation virage (Flag=2). Dans cet état, 1_max est constant et est égale au dernier 1_max calculé 20 dans l'état Menant . Si le courant moteur lm augmente à nouveau et dépasse 1_max d'une valeur 14, par exemple 14=0,1A (Im>1max-0.1A), (rappel : On passe de l'état menant à l'état mené lorsque le courant chute) et si on tourne le volant avec une vitesse supérieure à une valeur wvl, par exemple une vitesse de rotation du 25 volant wv1 > 0.09 rad/s, alors on retourne 86 dans le deuxième état B, l'état Menant . Le procédé consiste alors à fournir une information passant 86 dans l'état Menant (etat=0, Flag=l ). Par contre, si le courant moteur lm devient inférieur à un seuil prédéterminé 15, par exemple I5=0.54A, (Im REVENDICATIONS 1. Procédé d'assistance amélioré pour système de direction de véhicule, notamment de véhicule automobile, du type comportant : une crémaillère (16), un pignon (12) engrené sur la crémaillère (16) pouvant être entraînée en translation par le pignon (12), la crémaillère (16) étant reliée par ses deux extrémités aux roues directrices du véhicule et un moyen d'assistance (46) couplé au pignon (12), caractérisé en ce qu'il consiste : - à détecter le sens de transfert des puissances exercées sur le moyen d'assistance (46) pour déterminer le sens menant ou mené des moyens d'assistance ; et - à adapter le paramétrage de moyens de calcul (50) d'assistance en fonction du sens menant ou mené des moyens d'assistance (46) pour tenir compte des différentes situations de vie du véhicule. 2. Procédé d'assistance selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à fournir, via les moyens de calcul (50) une information Flag variable pouvant prendre une des valeurs 0, 1 ou 2 indiquant dans quel état se trouve le moyen d'assistance (46), soit : - une information `0' pour une situation de vie MeneParDefaut , lorsque le véhicule roule en ligne droite , - une information `1' pour Menant , lorsque les moyens d'assistance (46) transfèrent de la puissance à la crémaillère (16); - une information `2' pour Mene lorsque la crémaillère (16) transfère de la puissance au moyen d'assistance (46), les moyens de calcul (50) fournissant en outre une information etat , variable indiquant si le moyen d'assistance est menant (etat=0) ou mené (etat=1). 3. Procédé d'assistance selon la revendication 2, caractérisé en ce que les informations Flag et etat sont déterminées en fonction : - de grandeurs physiques (lm) représentatives du couple moteur exercé 35 par le moyen d'assistance (Imot), 2909960 19 - du couple (C00) de torsion exercé sur le pignon (12), - de l'angle de rotation du volant du véhicule (0"01), 4. Procédé d'assistance selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé 5 en ce que, à partir d'un premier état (A) MeneParDefaut , le moyen d'assistance (46) étant mené (etat=1), le véhicule étant en ligne droite (FIag=O), le procédé consiste à fournir une information d'état passant (80) du premier état (A) à un second état (B), soit de l'état MeneParDefaut (etat=1) (Flag=0) à l'état Menant (etat=0) (Flag=1) dès que la grandeur physique (lm) 1 o représentative du couple moteur exercé par le moyen d'assistance est supérieure à une valeur prédéterminée 11, la valeur physique maximum (1_max) variable calculée lorsqu'on se trouve dans l'état Menant étant mise à zéro. 15 5. Procédé d'assistance selon la revendication 4, caractérisé en ce que, à partir du second état (B) Menant (etat=0) (Flag=1), la plus grande valeur de la grandeur physique (lm) mesurée est sauvegardée dans la variable grandeur physique maximum (1_max) 20 6. Procédé d'assistance selon la revendication 4, caractérisé en ce que, si la grandeur physique (lm) mesurée devient à nouveau inférieure au seuil 11 et, que la valeur absolue Thv de l'angle volant (OVO) soit petite, inférieure à un seuil Thvl, le procédé consiste à fournir à nouveau (82) l'information du premier état (A) MeneParDefaut , (etat=1), (FIag=O). 25 7. Procédé d'assistance selon la revendication 5, caractérisé en ce que, à partir du second état (B) Menant (etat=0) (Flag=1), si le couple (Ccc) de torsion est de valeur Cccl suffisante, par exemple de valeur Cccl > 1 N.m, 30 si la grandeur physique (lm) diminue et devient inférieure à la valeur physique maximum ( Imax) d'une valeur 12 et, si la grandeur physique (lm) est supérieure à une valeur 13, le procédé consiste à fournir une information passant (84) du deuxième état (B) au troisième état (C) (etat=1), (Flag=2), 2909960 20 la grandeur physique maximum (1_max) étant constante et étant égale à la dernière valeur maximum (1max) calculée dans le deuxième état (B) Menant dans les cas contraires, on reste dans le deuxième état (B), l'état 5 Menant . 8. Procédé d'assistance selon la revendication 6, caractérisé en ce que, si la grandeur physique (lm) augmente à nouveau et dépasse la valeur maximum (1max) d'une valeur 14 et, wv étant la valeur de la valeur absolue de la 1 o vitesse de rotation (wvo,) de l'angle volant, si on tourne le volant avec une vitesse de rotation wv supérieure à une valeur wvl, par exemple une vitesse de rotation du volant wv1> 0.09 rad/s, le procédé consiste à fournir une information passant (86) dans le deuxième état (B), l'état Menant (etat=0, FIag=1). 15 9. Procédé d'assistance selon la revendication 7, caractérisé en ce que, si la valeur physique (lm) devient inférieure à un seuil prédéterminé 15, si le couple volant Ccc mesuré devient inférieur à un deuxième seuil prédéterminé Ccc2, par exemple 1 N.m et, 20 si l'angle volant Thv devient un angle Thv2 proche de zéro, par exemple inférieur à 0,4 rad, le procédé consiste à fournir une information passant (88) du troisième état (C) vers le premier état (A), soit dans l'état MeneParDefaut correspondant à l'état mené en ligne droite. 25 10. Procédé d'assistance selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes de calcul de la valeur physique maximum (1max). 11. Procédé d'assistance selon l'une des revendications 1 à 10, 30 caractérisé en ce que le moyen d'assistance comporte un moteur électrique (46) couplé à un réducteur (44) engrené sur la crémaillère (16), la grandeur physique mesurée (lm) étant le courant électrique d'alimentation du moteur (I,ot) fournit par un capteur (42) de courant moteur du système de direction. 2909960 21 12. Procédé d'assistance selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le pignon (12) étant entraîné en rotation par une colonne de direction (14) actionnée par un volant (10), la colonne de direction comportant un capteur de couplé (40) fournissant l'information de couple C00 de torsion de la 5 colonne de direction tel que : Ccc Kbdt (evol (1) 0,01 étant l'angle de rotation du volant, i o Opig étant l'angle de rotation du pignon, en connaissant la raideur Kbdt la raideur de la colonne de direction (par exemple 100 N.m/rad )