Brevet FR2909961A1 — publié le 20080620

PROCEDE D'ASSISTANCE AMELIOREE PAR L'ESTIMATION DE L'EFFORT SUBI PAR LA CREMAILLERE D'UN SYSTEME DE DIRECTION POUR VEHICULE AUTOMOBILE La présente invention porte sur les systèmes de direction de véhicule automobile et plus précisément sur un procédé d'estimation de l'effort subi sur une 10 crémaillère du système de direction du véhicule. Un véhicule automobile comporte un châssis, un habitacle et des roues reliées au châssis par un mécanisme de suspension avec des roues directrices commandées par un système de direction actionné par un volant à la disposition 15 du conducteur du véhicule. De tels dispositifs de direction peuvent être pourvus d'une assistance au conducteur de type électrique (connu sous l'acronyme DAE) ou hydraulique permettant 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 20 stationnement ou lorsque le véhicule est roulant durant des situations d'urgences. La figure 1 montre un exemple d'un système de direction électrique de l'état de l'art d'un véhicule automobile. Le dispositif de direction de la figure 1 comporte notamment un volant 10 25 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 30 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 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. Le dispositif de direction de la figure 1 comporte en outre un capteur de 35 couple 40 disposé sur la colonne de direction 14 et pour l'assistance au 2909961 2 conducteur, un réducteur 44 couplé d'une part à un moteur électrique 46 et d'autre part au pignon 12. Dans ce type de dispositif, il est nécessaire de connaître l'effort subi par la 5 crémaillère 16, noté Fcre, du système de direction d'un véhicule automobile muni d'un train et de la crémaillère 16 actionnant les roues directrices 28, 34 du véhicule. Cet effort FCCe est variable au cours du temps en fonction, d'une part, de l'action du conducteur et des systèmes pilotés (assistance, etc.) agissant sur la crémaillère 16, et d'autre part, des efforts provenant du contact du pneumatique avec la route ; ces derniers efforts étant liés en partie aux conditions environnementales (adhérence). L'effort crémaillère peut être mesuré par des capteurs de type jauge de contrainte mais le coût et la fiabilité restent rédhibitoires pour une solution 15 automobile. Le problème que vise à résoudre la présente invention est donc d'estimer l'effort subi par la crémaillère en temps réel pour tout type de direction (sans assistance, assisté hydrauliquement ou électriquement, activé, steer-by-wire) en utilisant les capteurs déjà disponibles sur le véhicule. 20 Une estimation de cet effort FCCe en temps réel permet alors : • D'améliorer l'agrément de direction des directions assistées ou actives par un meilleur filtrage des vibrations et un retour d'effort au volant plus précis utilisant cette estimée 25 • De construire le retour d'effort au volant dans le cadre d'un steer-by-wire (pas de liaison mécanique entre le volant et la crémaillère), l'estimée étant alors nécessaire • D'améliorer la sécurité active du véhicule en aidant à la détection à la perte d'adhérence des roues directrices et à la détection de sous virage avéré du 30 véhicule • De fournir également la position (ycre), la vitesse (Vcre) et l'accélération (acre) de la crémaillère afin d'améliorer le pilotage de la direction. A cet effet et afin de palier les inconvénients des dispositifs de direction 35 assistée de l'état de l'art, l'invention propose un procédé d'assistance amélioré 2909961 3 pour système de direction de véhicule, notamment de véhicule automobile, du type comportant : une crémaillère, un pignon engrené sur la crémaillère pouvant être entraînée en translation par le pignon, la crémaillère étant reliée par ses deux 5 extrémités aux roues directrices du véhicule et un moyen d'assistance comportant un moteur électrique couplé au pignon, caractérisé en ce qu'il consiste à estimer, par des moyens de calcul, l'effort FCCe subi par la crémaillère à partir de l'effort pignon Fpig, exercé par le pignon sur la crémaillère et la vitesse de la crémaillère, Vcre, la vitesse de la 10 crémaillère, Vcre, étant obtenue à partir de la vitesse de rotation Wmot du moteur électrique. Avantageusement, l'effort pignon, Fpig, est estimé à partir du couple pignon sur la crémaillère, Cpig/cre, et des situations de vie, menant ou menée, du 15 moteur électrique. Dans une réalisation, le système de direction comportant une colonne de direction actionnée par un volant, le couple pignon sur la crémaillère, Cpig/cre, est estimé à partir du couple volant sur le pignon, Cäo,/pig, et du couple moteur sur le 20 pignon, Cmot/pig• Dans une autre réalisation, le couple volant sur le pignon, Cäo,/pig, est estimé à partir d'un couple Ccc, issu d'un capteur de couple (40) ayant une barre de torsion solidaire de la colonne de direction et de caractéristiques mécaniques 25 de la barre de torsion du capteur de couple, c'est-à-dire, de la raideur Kbdt et de l'amortissement Abdt, le couple volant sur le pignon, Cäo,/pig, étant obtenu par l'équation suivante : K dt bdt Dans une autre réalisation le couple moteur sur le pignon, Cmot/pig, est estimé à partir du couple moteur électrique avant le réducteur, Cmot/red, et en fonction de la situation de vie, menant ou mené, du moteur électrique. Cvot,pig = c + Abdt a C 30 2909961 4 Dans une autre réalisation on identifie l'état du moteur électrique, menant ou mené, à partir des informations couple volant, Ccc, angle volant, 0v01, et du courant moteur 'mot. 5 Dans une autre réalisation le couple moteur électrique avant le réducteur, Cmot/red, c'est-à-dire la charge du moteur électrique est estimée à partir : - du courant moteur 'mot, issu d'un capteur de courant moteur, ou d'une consigne qu'on envoie au moteur ; - et de la vitesse de rotation moteur Wmot, 10 Dans une autre réalisation, la vitesse de rotation moteur Wmot est mesurée par un capteur présent pour tous les moteurs électriques de type brushless. Dans une autre réalisation, la vitesse de rotation moteur Wmot est calculée 15 à partir de la valeur Cc, issue du capteur de couple et de l'angle volant 0v01, l'angle volant pouvant être obtenu : - soit à partir d'un capteur d'angle volant, - soit calculé à partir d'informations issues d'un capteur de position crémaillère. 20 L'invention proposée est une alternative à la mesure par des capteurs de type jauge de contrainte par l'utilisation d'un calculateur implémentant un algorithme d'estimation des efforts à partir de capteurs déjà disponibles sur le véhicule. 25 En outre, l'invention permet aussi de connaître le couple d'assistance avant le réducteur Cmot/red, le couple d'assistance au niveau du pignon Cmot/p;g, le couple pignon sur la crémaillère Cpig,crei et l'effort du pignon sur la crémaillère Fpig. La valeur de ces couples et efforts n'est pas mesurable dans les dispositifs de l'état de l'art du fait du manque de place pour mettre un capteur. 30 L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de réalisation du procédé d'estimation en référence aux dessins indexés dans lesquels : - la figure 1, déjà décrite, montre un exemple d'un système de direction électrique de l'état de l'art d'un véhicule automobile ; 2909961 5 - les figures 2, 3 et 4 montrent respectivement trois modes de réalisation d'un estimateur d'effort FCCe sur une crémaillère de la direction; - les figures 5 et 6 montrent schématiquement le principe d'estimation de la charge d'un moteur électrique du système de direction ; 5 - la figure 7 montre les étapes de calcul du couple moteur d'assistance estimé Cmot/red_est de l'estimateur de la figure 6 ; - le schéma de la figure 8 montre un diagramme d'état sur un exemple de réalisation de définition des règles ; - la figure 9 représente un schéma bloc d'un détecteur de situation de vie 10 DAE montrant les entrées/sorties du procédé d'estimation de l'état menant/menée de la DAE ; - la figure 10 montre un organigramme de calcul du courant maximum du moteur électrique ; - la figure 11 montre un synoptique des entrées/sorties du procédé 15 d'estimation du couple pignon sur crémaillère Cp;g,cre; - la figure 12 montre un schéma bloc macroscopique de l'estimateur de l'effort crémaillère Fcre ; - la figure 13 montre un schéma bloc de détail de l'estimateur de l'effort crémaillère FCCe et ; 20 - la figure 14 montre l'organigramme de calcul de l'estimation de l'effort crémaillère estimé Fcre est. Nous allons par la suite décrire le procédé selon l'invention en référence à la figure 1 en nous basant pour cela sur un certain nombre de notions qui sont 25 rappelées ci-dessous. On rappelle que l'effort FCCe de crémaillère d'un système de direction est fonction -de la dynamique de la crémaillère 16 (prise en compte de la masse, des 30 raideurs, amortissements, frottements, ...) ; - d'une résultante des efforts venant des roues 28, 34 via les pneus et les biellettes 24, 30. On précise que les efforts latéraux des pneus, Fy, et les moments d'auto alignement des pneus, Mz, sont à l'origine des ces efforts ; - d'un effort d'assistance si le système de direction est de type R-EPS 35 (Rack Electronic Power Steering system) ; 2909961 6 - d'un effort pignon résultant ; - d'un couple volant via le réducteur pignon/crémaillère et de son rendement, si le système de direction n'est pas du type SBW (acronyme pour Steer-by-wire, en langue anglaise), c'est-à-dire si le volant est relié 5 mécaniquement à la crémaillère ; - d'un couple d'assistance via : a) un réducteur axe moteur électrique/pignon et de son rendement si le système de direction est de type P-EPS (Pinion Electric Power Steering system, en langue anglaise); 10 b) un réducteur axe moteur électrique/colonne de direction et de son rendement si le système de direction est de type C-EPS (Column Electric Power Steering system). Considérant maintenant les méthodes d'estimation, on distingue une 15 approche statique et une approche dynamique • approche statique : on est en régime stabilisé où l'effort crémaillère Fcre est égal à la somme de l'effort volant Fvoucre ramené sur la crémaillère et de l'effort moteur d'assistance ramené sur la crémaillère Fmot/cre (Fcre= Fvol/cre + Fmot/cre) auxquels on rajoute les frottements. 20 Cette estimation n'est pas valable dynamiquement (dès qu'on tourne le volant, que l'assistance est variable, ou que les remontées des efforts dus aux pneus sur la crémaillère sont variables) ; • approche dynamique : on prend en compte les masses, inerties, amortissements du système de direction. 25 Pour obtenir une bonne estimation, il est donc nécessaire d'avoir une approche dynamique et, par exemple, d'utiliser un modèle dynamique du système. Par ailleurs, l'effort crémaillère est une entrée du système de direction : c'est une des causes qui fait bouger la crémaillère. Par conséquent, il n'est pas possible de modéliser l'effort crémaillère, c'est-à-dire avoir une relation constitutive 30 de l'effort crémaillère (exprimer l'effort crémaillère en fonction de raideur, vitesses, ou autres). Par contre, la dynamique de déplacement de la crémaillère est fonction des causes, dont l'effort en est une (premier principe fondamental de la dynamique : masse multipliée par l'accélération est égale à la somme des forces). On a donc un modèle dynamique, dit direct, qui relie les causes (efforts) 35 aux effets (déplacements). On peut parfois inverser le sens de l'équation et isoler 2909961 7 un effort et l'exprimer en fonctions des effets et des autres causes. C'est le modèle dynamique inverse. Ces modèles inverses peuvent être utilisés : - soit en boucle ouverte ; - soit en boucle fermée, c'est-à-dire que l'estimation est régulée et 5 corrigée par rapport à un écart entre une variable mesurée, comme par exemple la vitesse de rotation du volant, et la même variable estimée à partir de l'estimation de l'effort crémaillère. Il est démontré (confer théorie de l'observation en Automatique) que, contrairement aux estimations boucle ouverte, une estimation boucle fermée 10 apporte robustesse et fiabilité par rapport aux incertitudes paramétriques, aux incertitudes des conditions initiales des variables d'état (position, vitesse), et à des phénomènes non modélisés (perturbations). Ces notions étant rappelées, nous allons décrire par la suite trois modes 15 de réalisation d'un estimateur selon l'invention. Les figures 2, 3 et 4 montrent respectivement trois modes de réalisation de l'estimateur. La figure 2 illustre un premier mode (estimateur 1) relatif à des systèmes de direction hors Steer-by-wire. On dispose d'une mesure ou estimation de l'angle 20 volant 0v01, du couple volant C,ouplg et de l'intensité 'mot du moteur d'assistance pour donner une valeur temps réel de l'effort crémaillère FCCei du couple moteur d'assistance sur le réducteur Cmot/red, du couple moteur d'assistance sur le pignon Cmot/pig, du couple pignon sur la crémaillère Cpig/cre et de l'effort pignon ramené sur la crémaillère Fpig. 25 La figure 3 illustre un deuxième mode (estimateur 2) qui est similaire au premier mode, illustré à la figure 2, mais dans lequel on remplace la valeur de l'angle volant 0vo, par la valeur de l'angle moteur Omot . 30 La figure 4, illustre un troisième mode (estimateur 3) relatif à des systèmes de direction Steer-by-wire : on n'a plus besoin de la valeur du couple volant. La valeur du couple moteur d'assistance sur la crémaillère Cmoticre est égale au couple pignon sur la crémaillère Cpig/cre. 2909961 8 Concernant le premier mode (estimateur 1), les équations permettant de modéliser cet estimateur sont les suivantes : On dispose au niveau du volant d'une valeur de l'angle volant Ovoi, On dispose au niveau du capteur de couple 40 d'une valeur de couple 5 issue du capteur de couple 40. Cette valeur est notée Coo. Ce capteur est généralement constitué d'une barre de torsion de raideur connu Kbdt (environ 100 N.m/rad). La valeur du couple est obtenue par multiplication de cette raideur par l'angle de torsion que le capteur mesure en interne. La colonne de direction étant très rigide par rapport à la barre de torsion, l'angle de torsion est la différence 10 entre l'angle volant, emot, et l'angle pignon, epig. Cela revient à écrire l'équation suivante : CCC = Kbdt (wol ù 8pig) (1 ) Le capteur de couple ne tient donc pas compte de l'amortissement de la colonne Abdt (environ 1 N.m.s/rad). Le couple volant appliqué sur le pignon, Cvoi/pig, est : Cvol /pig ù Kbdt (Bvol ù Bpig )+ Abdt 4 vol ù copig / (2) avec UJvoi et Wpig les vitesses de rotation du volant et du pignon respectivement. On dispose, au niveau du moteur électrique d'assistance 46, du courant 25 moteur, 'mot, et aussi généralement de la tension moteur Umot. Notant respectivement R (environ 0,05 Q), L (environ 1 mH), Ke (envion 0,05 N.m/A), et comot, respectivement la résistance, l'inductance, la constante de conversion électromécanique courant/flux, et la vitesse de rotation du moteur, on a les équations électriques classiques d'un moteur à courant continu suivantes : 30 d L Clt'mot = Uri., ù R'mot ù Ke coin., Cmot Ke Imot (4) (3) 2909961 9 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 (c'est-à-dire la charge vue par le moteur). Jmot dt Wmot Ke 1 mot ù Bmot Wmot ù Smot sgn(wmot) ù Cmovred (5) Au niveau du réducteur 44, il existe les relations suivantes avec n le rapport de réduction (environ 15/1), ïred le rendement qui est variable et dépend si 10 le moteur mène le pignon ou si le pignon mène le moteur de la DAE : n epig =9 mot (6) n wpig = wmot (7) 1 Cmot/pig / red Cmot/red (8) n Au niveau du pignon 12, avec Rp;g (environ 0,073 m) le rayon de pignon, ycre et Vcre étant respectivement la position et la vitesse de déplacement de la 20 crémaillère, il vient naturellement que Rpig epig = J cre (9) Rpig Rmg = Vcre (1 0) En négligeant la dynamique du pignon puisque l'inertie du pignon est extrêmement faible ( 2 C1 avec avec 171,2 1 N.m), si le courant moteur diminue et devient inférieur à I_max-1,5 A et si le courant moteur est >2 A, alors on passe dans l'état Mene . Dans les cas contraires, on reste dans l'état Menant . 2909961 17 • troisième état : Mene On passe d'un état moteur menant à moteur mené (etat=1) et dans la situation virage (Flag=3). Dans cet état, I_max est constant et est égale au dernier I_max calculé 5 dans l'état Menant . Si le courant augmente à nouveau (Im>I_max-0.1, rappel : On passe de l'état menant à l'état mené lorsque le courant chute) et si on tourne le volant (la vitesse de rotation du volant > 0.09 rad/s), alors on retourne dans l'état Menant . Par contre, si le courant devient inférieur à un seuil déterminé (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 comportant un moteur électrique (46) couplé au pignon (12), caractérisé en ce qu'il consiste à estimer, par des moyens de calcul, l'effort FCCe subi par la crémaillère (16) à partir de l'effort pignon Fpig, exercé par le pignon sur la crémaillère et la vitesse de la crémaillère, Vcre, la vitesse de la crémaillère, Vcre, étant obtenue à partir de la vitesse de rotation Wmot du moteur électrique. 2. Procédé d'assistance amélioré selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'effort pignon, Fpig, est estimé à partir du couple pignon sur la crémaillère, Cpig/cre, et des situations de vie, menant ou menée, du moteur électrique. 3. Procédé d'assistance amélioré selon la revendication 2, caractérisé en ce que, le système de direction comportant une colonne de direction (14) actionnée par un volant (10), le couple pignon sur la crémaillère, Cpig/cre, est estimé à partir du couple volant sur le pignon, Cäo,/pig, et du couple moteur sur le pignon, Cmot/pig. 4. Procédé d'assistance amélioré selon la revendication 3, caractérisé en ce que le couple volant sur le pignon, Cvoupig, est estimé à partir d'un couple Ccc, issu d'un capteur de couple (40) ayant une barre de torsion solidaire de la colonne de direction et de caractéristiques mécaniques de la barre de torsion du capteur de couple, c'est-à-dire, de la raideur Kbdt et de l'amortissement Abdt, le couple volant sur le pignon, Cäo,/pig, étant obtenu par l'équation suivante : 2909961 25 Cvol / pig 4d d Kbdt dt 5. Procédé d'assistance amélioré selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le couple moteur sur le pignon, Cmot/p;g, est estimé à partir 5 du couple moteur électrique avant le réducteur, Cmot/red, et en fonction de la situation de vie, menant ou mené, du moteur électrique. 6. Procédé d'assistance amélioré selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'on identifie l'état du moteur électrique, menant ou mené, à 10 partir des informations couple volant, Cm angle volant, 0v01, et du courant moteur mot 7. Procédé d'assistance amélioré selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le couple moteur électrique avant le réducteur, Cmot/red, 15 c'est-à-dire la charge du moteur électrique (46) est estimée à partir : - du courant moteur 'mot, issu d'un capteur de courant moteur, ou d'une consigne qu'on envoie au moteur (46) ; - et de la vitesse de rotation moteur Wmot, 20 8. Procédé d'assistance amélioré selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la vitesse de rotation moteur UJmot est mesurée par un capteur présent pour tous les moteurs électriques de type brushless. 9. Procédé d'assistance amélioré selon l'une des revendications 4 à 7, 25 caractérisé en ce que la vitesse de rotation moteur UJmot est calculée à partir de la valeur Cc, issue du capteur de couple (40) et de l'angle volant 0v01, l'angle volant pouvant être obtenu : - soit à partir d'un capteur d'angle volant, - soit calculé à partir d'informations issues d'un capteur de position 30 crémaillère. 35