Brevet FR2990775A1 — publié le 20131122

PROCEDE D'ASSERVISSEMENT D'UNE VANNE COMMANDEE ELECTRIQUEMENT [0001] La présente invention concerne l'asservissement de la position de l'obturateur d'une vanne commandée électriquement. La vanne peut par exemple être une vanne EGR utilisée dans l'industrie automobile. [0002] Il est souvent nécessaire dans l'industrie de contrôler l'ouverture de l'obturateur d'une vanne et d'asservir la position de l'obturateur à la valeur d'un paramètre. C'est notamment le cas de l'industrie automobile où, afin de diminuer la pollution générée par les moteurs thermiques, un procédé consiste à recycler une partie des gaz d'échappement : ces gaz sont prélevés dans la ligne d'échappement, généralement à la sortie du collecteur échappement, puis réinjecter dans la ligne d'admission d'air frais. Pour augmenter l'efficacité du procédé, les gaz à recycler sont souvent refroidis en passant dans un échangeur de chaleur. Le débit des gaz recyclés est contrôlé à l'aide d'une vanne appelée vanne EGR (pour "Exhaust Gas Recirculation"). La quantité de gaz recyclée est contrôlée en commandant la position de l'obturateur de la vanne EGR. Pour ce faire, la position de l'obturateur de la vanne est asservie à une position de consigne fournie par le calculateur de bord. Cette position de consigne varie avec le temps en fonction des conditions d'utilisation du moteur thermique. [0003] L'asservissement avec précision de position de l'obturateur est techniquement difficile sur toute la plage d'ouverture/fermeture de l'obturateur. Par exemple, les différences de pressions entre l'amont et l'aval de la vanne ont une forte influence sur la précision de l'asservissement. Il existe aussi des raisons mécaniques: les vannes incluent généralement des ressorts de rappel ramenant l'obturateur vers une position d'équilibre intermédiaire entre l'ouverture et la fermeture totale. L'action de ces ressorts perturbe le fonctionnement dynamique de la vanne. De plus, le fonctionnement de l'obturateur est fortement non linéaire. [0004] Un certain nombre de solutions proposées jusqu'ici synthétisent la loi de commande de l'obturateur par l'intermédiaire d'un correcteur par rétroaction appelée" PID "(pour Proportionnel, Intégral, Dérivé). La méthode de synthèse consiste principalement à déterminer l'erreur entre la position mesurée de l'obturateur et la position de consigne (action proportionnelle), à calculer la vitesse de changement de l'erreur (action dérivée) et l'intégrale temporelle de l'erreur (action intégrale) et à élaborer un signal de contrôle de position somme de ces trois actions. [0005] De telles solutions s'avèrent peu robustes vis-à-vis des perturbations externes rencontrées ou des variations des caractéristiques des composants. Ces solutions nécessitent en outre des méthodes de calibration longues et délicates à mettre en place car elles nécessitent une mise au point importante. Les valeurs de consigne, des corrections et des gains du régulateur doivent être déterminées pour chaque mode de combustion du moteur ce qui nécessite de nombreux essais. De plus, la gestion des dépassements de consignes (« overshoots », phénomène bien connu des systèmes de régulation rapide) impose une limitation de la dynamique du système de régulation. Un dépassement de consigne peut conduire à une augmentation des émissions polluantes ou nuire à la fiabilité du système. Un autre inconvénient vient du fait que le réglage de la régulation est effectué avec des véhicules prototypes et n'est pas modifié au cours du temps. Il est donc possible, et même probable, que les valeurs des paramètres (par exemple, les gains du correcteur PID) attribuées avec des véhicules neufs ne conviennent plus avec la dérive des performances du système EGR au cours du temps. De plus, les imperfections d'asservissement conduisent à une augmentation du temps de réponse de l'obturateur induisant une dégradation des performances du moteur. [0006] De nombreuses solutions ont déjà été proposées pour la régulation de la position de l'obturateur d'une vanne, notamment d'une vanne EGR. A titre d'exemples, le brevet US6128902 et la demande de brevet US2006207580 concernent des systèmes de régulation du type PID qui présentent les inconvénients mentionnés précédemment. [0007] La présente invention concerne un procédé de régulation qui fait appel à un modèle physique représentant le comportement de la vanne à réguler et le fonctionnement du moteur thermique, modèle physique qui se traduit par des équations. Le procédé est robuste vis-à-vis des perturbations extérieures et/ou du modèle physique et nécessite moins de travail de calibration comparé à un correcteur classique de type PID. [0008] De façon plus précise, l'invention concerne un procédé d'asservissement, à une valeur de consigne Oc, de la position angulaire de l'obturateur d'une vanne, ledit obturateur étant actionné à l'aide d'un moteur électrique. De façon classique, on détermine un paramètre 0 correspondant à ladite position angulaire de l'obturateur et on détermine ladite valeur de consigne Oc. Selon l'invention: - on définit une variable dynamique d'erreur S qui tend vers zéro lorsque la différence (0 - 0c) tend vers zéro; - on définit un terme de convergence Iref qui représente l'intensité minimale du courant électrique à appliquer audit moteur électrique pour annuler ladite 15 variable dynamique S; et - on détermine le courant électrique I à appliquer audit moteur électrique en additionnant Iref à un terme proportionnel à S. [0009] Selon un mode de réalisation avantageux: * ladite variable dynamique d'erreur S est définie par la relation suivante: 20 = e =er 9 d( - Oc) di' 25 avec er=0-0c et Ks étant une constante strictement supérieure à 0 et e correspondant à la position angulaire de l'arbre dudit moteur électrique; * ledit terme de convergence Iref est défini par l'équation suivante: - dans laquelle: J correspondant à l'inertie de rotation globale de la vanne, Km correspondant au couple moteur électrique et Kr correspondant au couple résistant et à un ensemble de dispersions sur la vanne; * ledit paramètre 0 peut être mesuré à l'aide d'un capteur ou déterminé numériquement par un calculateur; * on détermine ledit terme de convergence Iref de la façon suivante: - on détermine la valeur de es à l'aide de cartographies et la dérivée seconde es" de es ; - on détermine la valeur de 0 et la valeur de l'erreur er=0-0c ; - on détermine la dérivée er' de er que l'on multiplie par (-Ks); - on additionne ladite dérivée seconde es" avec -Ks.er'; - on calcule J.(0c-Ks.er) que l'on additionne à Kr; et - on calcule Iref en divisant {Kr+ J.(ec-Ks.er)} par Km. * on détermine ledit terme proportionnel à ladite variable dynamique S de la façon suivante: - on détermine ladite constante Ks correspondant à une valeur de gain pour ajuster la commande à appliquer audit moteur électrique; - on calcule S en additionnant la dérivée er' au produit de er par Ks, - on prend la valeur sign(S) que l'on multiplie par - Ks/Km pour obtenir [- Ks/Km. Sign(S)] qui correspond à la valeur dudit terme proportionnel. * la valeur dudit courant électrique I à appliquer audit moteur électrique correspond alors à [- Ks/Km. Sign(S)] + 1/Km . {Kr+ J.(0c-Ks.er)}. [00010] Le procédé peut être appliqué à la commande d'une vanne EGR d'un moteur thermique. Dans ce cas, ladite valeur de consigne es peut être déterminée à l'aide de cartographies définie par le régime du moteur thermique et la charge appliquée au moteur thermique. [00011] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins 5 annexés qui montrent: - la figure 1, l'illustration du fonctionnement de la régulation; et - la figure 2, le schéma de la mise en oeuvre préférée de l'invention. [00012] Le comportement d'une vanne électrique peut être représenté par les équations suivantes: 10 d et u= RI + L-t (1) fo = (2) [00013] L'équation (1) correspond à une modélisation électrique du moteur électrique actionnant l'obturateur de la vanne. L'équation (2) 15 correspond à une modélisation mécanique de l'obturateur de la vanne. [00014] Dans ces équations, U correspond à la tension aux bornes du moteur électrique, R correspond à sa résistance électrique, I correspond à l'intensité traversant le moteur électrique, 20 L correspond à son inductance J correspond à l'inertie de rotation globale de la vanne, 0 correspond à la position angulaire de l'arbre du moteur (soit mesurée par un capteur, soit déterminée numériquement par un calculateur), Km correspond au couple moteur, et 25 Kr correspond au couple résistant (incluant notamment le couple visqueux, le couple de rappel du ressort et le couple de butées) et représente également un ensemble de dispersions sur le système formé par la vanne (provoquées par exemple par les frottements, les bruits et l'estimation d'erreur du modèle). 30 [00015] On définit préalablement les valeurs suivantes: (3) (4) correspondant respectivement à l'erreur de poursuite (ou de suivi) et à la 5 dérivée temporelle de er (que l'on pourra aussi désigner par er') et ec désignant la position angulaire de consigne de l'arbre d'entraînement, ce qui correspond à la position angulaire de l'obturateur de la vanne. [00016] On considère une variable dynamique d'erreur S définie par la relation suivante : 10 (5) [00017] Dans cette équation Ks est une constante strictement supérieure à zéro et correspond à une valeur de gain calibrable. Cette valeur permet d'ajuster la commande appliquée au moteur électrique. On remarque 15 que si la variable dynamique S est égal à zéro ou tend vers zéro, alors l'erreur de poursuite er tend vers zéro, ce qui est le but recherché pour la régulation de la position angulaire de l'arbre d'entrainement du moteur électrique. [00018] Des calculs permettent de déterminer l'intensité minimale 20 Iref à appliquer au moteur électrique pour annuler la variable dynamique S. L'intensité Iref s'exprime comme suit : (6) 25 [00019] La régulation de la vanne étant effectuée avec une rétroaction, on peut remplacer cette valeur d'intensité dans l'équation (2), pour aboutir à la relation : er' = -Ks.er/J (7) Cette relation se résout avec une valeur de poursuite er de la forme : gr = ED eacp (8) E0 étant une constante et t désignant le temps. [00020] L'erreur de poursuite converge donc vers 0 dans le temps. Par ailleurs, cette convergence est obtenue indépendamment du paramètre Kr de couple résistant. Ainsi, la commande avec l'intensité Iref déterminée s'avère robuste vis-à-vis de ce paramètre Kr. Le paramètre Kr peut être déterminé par des essais sur la vanne. On remarquera que seule la valeur 10 maximale de Kr doit être déterminée. [00021] La figure 1 illustre la dynamique d'atteinte de la convergence de l'erreur er. La courbe 10 montre l'évolution dans le temps t de l'erreur er à partir de l'état initial 11 de l'erreur. La ligne 12 illustre la cible à atteindre, c'est-à-dire er tendant vers zéro lorsque le temps t augmente. La forme de la 15 première partie 13 de la courbe 10 est déterminée par l'exponentielle de -Ks/J. [00022] Le rectangle 14 illustre la stabilisation de l'erreur. La partie 15 de la courbe 10 montre des variations de l'erreur dues aux perturbations 16 provoquées par exemple par la dérive du capteur de mesure de 0 ou par du 20 bruit. [00023] Une loi de commande de l'obturateur de la vanne électrique a ainsi été établie, cette loi faisant tendre l'erreur de poursuite er vers zéro. Cependant, cette loi ne garantit pas la stabilité du système face aux perturbations 16. 25 [00024] Afin de stabiliser le système, selon une caractéristique de l'invention un terme additionnel à la commande Iref est introduit, ce terme devant permettre de maintenir la position de l'obturateur de vanne asservie de façon robuste (c'est-à-dire quelque soit la valeur de Kr). Ce terme s'écrit sous la forme: -Ks/Km.[sign (s)] (9) avec Ks étant supérieur à la valeur absolue de Kr. La fonction sign(S) étant égal à 1 si S est supérieur à zéro ou égal à -1 si S est inférieur à zéro ou indéfini si S est égal à zéro. [00025] La figure 2 illustre un mode de réalisation du procédé de l'invention appliqué à la commande d'une vanne EGR. Sur cette figure, on détermine la position angulaire de consigne es de l'arbre de rotation du moteur électrique actionnant l'obturateur de vanne (ladite position angulaire de l'arbre correspond à la position angulaire de l'obturateur de vanne). Pour 10 ce faire on utilise des cartographies 20 qui fournissent les valeurs de consigne es en fonction du régime 21 du moteur thermique comportant la vanne et en fonction de la charge 22 du moteur thermique. On détermine ensuite (23, 24) la dérivée seconde temporelle es" de la position de consigne es. Parallèlement, la valeur de la position angulaire 0 est mesurée, par 15 exemple à l'aide d'un capteur ou déterminée numériquement par un calculateur. Cette valeur de 0 est additionnée dans un additionneur 25 à -0c pour donner (E)- 0c) qui représente l'erreur er. Cette erreur er est dérivée en fonction du temps t pour donner er'. Cette dérivée er' est multipliée par -Ks dans le multiplieur 26 ce qui conduit à (-Ks. er'). Cette valeur est additionnée 20 à es" dans l'additionneur 27. La valeur résultante est multipliée par J dans le multiplieur 28 pour donner J(0" - Ks. er') qui est additionné à Kr dans l'additionneur 29 pour donner J(0" - Ks. er') +Kr ce qui est égal, en appliquant l'équation (6), à Iref.Km. On multiplie ensuite, à l'aide du multiplieur 30, par 1/Km ce qui fournit la valeur de Ire Le terme de 25 convergence Iref est ainsi obtenu. [00026] Il reste à déterminer la variable dynamique d'erreur S (équation 5). Pour ce faire, on multiplie l'erreur er, égale à (0-es) obtenu à la sortie de l'additionneur 25, par Ks à l'aide du multiplieur 31. Le résultat Ks.er est additionné à la dérivée er' dans l'additionneur 32, ce qui fournit (Kser+ er') 5 qui, d'après l'équation (5), est égal à S. On applique ensuite la fonction sign(S) en 33, que l'on multiplie par -Ks/Km à l'aide du multiplieur 34. A la sortie de ce multiplieur 34 on obtient donc -Ks/Km.sign(S) qui est le terme additionnel recherché (équation 9). Ce terme additionnel est ajouté, dans l'additionneur 35, à l'intensité Iref pour fournir le courant de commande I de 10 l'obturateur de vanne. [00027] Le courant de commande est donc la somme de deux valeurs: d'une part, Iref et, d'autre part, - Ks/Km.sign(S) qui est proportionnel à S. [00028] Le procédé décrit peut être appliqué à tous les types de 15 vannes dont l'obturateur est actionné par un moteur électrique. [00029] La présente invention permet de commander de façon robuste l'obturateur d'une vanne actionné à l'aide d'un moteur électrique, le comportement électrique de la vanne étant décrit par l'équation (1) et le comportement mécanique étant décrit par l'équation (2). L'algorithme de 20 contrôle est donc élaboré à partir d'un modèle physique, cet algorithme étant robuste vis-à-vis des perturbations externes et/du modèle. La commande de la vanne peut être générée avec un nombre réduit de capteur, renforçant la fiabilité et abaissant le coût de la boucle de recyclage des gaz d'échappement lorsque la vanne est une vanne EGR. Par 25 ailleurs, une telle commande peut être utilisée pour l'ensemble de la course de l'élément obturant, sans nécessiter l'utilisation d'une multiplicité de modèles. En outre, une telle commande peut être mise en oeuvre avec des méthodes de calibration relativement courtes et simples à mettre au point, puisque la mise au point ne se fait qu'à l'aide d'un seul paramètre, le 30 paramètre Ks. REVENDICATIONS1. Procédé d'asservissement, à une valeur de consigne Oc, de la position angulaire de l'obturateur d'une vanne, ledit obturateur étant actionné à l'aide d'un moteur électrique, procédé selon lequel on détermine un paramètre 0 correspondant à ladite position angulaire de l'obturateur et on détermine ladite valeur de consigne Oc, le procédé étant caractérisé en ce que: - on définit une variable dynamique d'erreur S qui tend vers zéro lorsque la différence (0 - 0c) tend vers zéro; - on définit un terme de convergence Iref qui représente l'intensité minimale du courant électrique à appliquer audit moteur électrique pour annuler ladite variable dynamique S; et - on détermine le courant électrique I à appliquer audit moteur électrique en additionnant Iref à un terme proportionnel à S. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite variable dynamique d'erreur S est définie par la relation suivante: avec er=0-0c et S Kser e ='r d (0 - Oc) dt Ks étant une constante strictement supérieure à 0 et e correspond à la position angulaire de l'arbre dudit moteur électrique. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit terme de convergence Iref est défini par l'équation suivante:dans laquelle: J correspond à l'inertie de rotation globale de la vanne, Km correspond au couple moteur électrique et Kr correspond au couple résistant et à un ensemble de dispersions sur la vanne. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit paramètre 0 est mesuré à l'aide d'un capteur ou déterminé numériquement par un calculateur. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on détermine ledit terme de convergence Iref de la façon suivante: - on détermine la valeur de es à l'aide de cartographies (20) et la dérivée seconde (23,24) es" de es ; - on détermine la valeur de 0 et la valeur de l'erreur (25) er=0-0c ; - on détermine la dérivée er' de er que l'on multiplie (26) par (-Ks); - on additionne (27) ladite dérivée seconde es" avec -Ks.er'; - on calcule (28) J.(0c"-Ks.er) que l'on additionne (29) à Kr; et - on calcule Iref (30) en divisant {Kr+ J.(ec-Ks.er)} par Km. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on détermine ledit terme proportionnel à ladite variable dynamique S de la façon suivante: - on détermine ladite constante Ks correspondant à une valeur de gain pour ajuster la commande à appliquer audit moteur électrique; - on calcule S en additionnant la dérivée er' au produit de er par Ks, - on prend la valeur sign(S) que l'on multiplie par - Ks/Km pour obtenir [- Ks/Km. Sign(S)] qui correspond à la valeur dudit terme proportionnel. 7. Procédé selon les revendications 5 et 6 caractérisé en ce que la valeur dudit courant électrique I à appliquer audit moteur électrique correspond à [- Ks/Km. Sign(S)] + 1/Km . {Kr+ J.(ec-Ks.er)}. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite vanne est une vanne EGR d'un moteur thermique. 9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que ladite valeur de consigne Oc est déterminée à l'aide de cartographies (20) définie par le régime (21) dudit moteur thermique et la charge (22) appliquée audit moteur thermique.