Brevet FR3035936A1 — publié le 20161111

- 1 - PROCEDE DE CONTROLE DE POSITION D'UN ORGANE DE COMMANDE D'EMBRAYAGE La présente invention se rapporte à la commande des boîtes de vitesses robotisées, équipées d'au moins un embrayage permettant d'interrompre la transmission du couple entre un moteur d'entraînement et le mécanisme de changement de vitesses de la boîte. Plus précisément, elle a pour objet un procédé de contrôle du déplacement d'un élément de commande d'embrayage par un système d'actionnement irréversible composé d'un moteur électrique d'actionnement relié par des moyens de transmission mécaniques, à l'élément de commande d'embrayage. Ce procédé repose sur l'envoi au moteur électrique, d'une tension de référence, qui permet à chaque instant de déplacer l'élément de commande, d'une position initiale à une position de référence. Dans les boîtes de vitesses robotisées, la commande de l'embrayage peut être assurée par un système de pilotage électrique ou hydraulique, commandé par un calculateur. La figure 1 illustre de manière non limitative le système d'actionnement irréversible, composé d'un moteur électrique d'actionnement 1 et d'un système de transmission de mouvement composé d'un jeu de pignons (logés sous un carter 2), qui transmettent le mouvement du moteur électrique sur un système de vis-écrou 3 qui transforme le mouvement de rotation du moteur 1 en un mouvement de translation d'un câble de commande d'embrayage 4, qui « tire » sur un levier d'embrayage (non représenté). Enfin, un ressort d'assistance 6 emmagasine l'énergie à la fermeture de l'embrayage, et la restitue en aidant à l'ouverture de l'embrayage. Afin d'assurer une transmission maîtrisée du couple du moteur thermique à la boîte de vitesse, la position du 35 câble doit être pilotée avec une précision de l'ordre de 0,1 mm. Or, la particularité d'un tel système d'actionnement est 3035936 - 2 - son irréversibilité, liée au niveau de frottement important entre la vis et l'écrou. Cette particularité permet de maintenir le système en position, en cas de coupure du pilotage du moteur électrique (chute de tension par 5 exemple). Mais elle pose un problème de pilotage, car sa commande n'est pas linéaire : tant que le moteur électrique ne fournit pas un niveau d'effort supérieur au frottement, le système reste immobile, mais une fois ce niveau d'effort dépassé, le système peut se mettre en mouvement très vite. 10 Le niveau de frottement peut atteindre 70 à 80% de l'effort maximal du moteur électrique, et peut varier en fonction de l'usure de l'embrayage, comme indiqué à titre d'exemple, sur les courbes de la figure 2. Cette figure permet de comparer les courbes d'effort (en Nm) sur la 15 course de la butée d'embrayage (en millimètres), dans le sens de son ouverture (débrayage) et de sa fermeture (embraye) pour un embrayage à l'état neuf (courbes en traits interrompus) et pour embrayage usé (courbes en traits continus). On constate que 20 fournir avec un embrayage sens de la fermeture, car du ressort de rappel, l'embrayage à l'état neuf. Lorsqu'on cherche l'effort supplémentaire maximum à usé est plus importante dans le il faut compenser en plus l'usure qui facilite la fermeture de à maîtriser la transmission du 25 couple du moteur thermique à la boîte de vitesses, aucun dépassement de position du câble n'est admissible. Cette exigence rend l'utilisation de techniques de régulation classiques (type PID), inadaptées pour piloter la position du câble. Un objectif de la présente invention est de 30 déplacer le câble de l'embrayage d'une manière complètement transparente pour le conducteur lors des opérations d'embrayage et de débrayage. La précision recherchée est de 0,005 mm. Elle doit être respectée, sans dépasser la position du câble, ni connaître l'effort que doit exercer le moteur électrique pour vaincre les frottements. Outre ces contraintes mécaniques, la commande doit 3035936 - 3 - respecter des contraintes thermiques. Pour assurer la pérennité du système électrique, elle doit en particulier éviter des sollicitations trop désordonnées ou brutales du moteur 1, répondant à des sauts de tension répétés, ou au 5 passage de courants trop importants. Enfin, à la fin de la fermeture de l'embrayage, la phase de « léchage », où le couple du moteur thermique est transmis progressivement à la boite de vitesse, doit être la plus transparente possible, pour éviter les à-coups de 10 couple. Le déplacement du câble de l'embrayage doit donc être piloté avec une précision de 0.005, principalement pendant dans la phase de léchage, et sans dépassement. La commande doit aussi être la plus continue possible, en évitant les forts appels de courant prolongés, dans le 15 moteur. L'entrée de commande est généralement une tension de référence du moteur d'actionnement. Les méthodes de calcul connues pour la tension de référence, visent à minimiser à chaque instant l'écart entre la position réelle de 20 l'élément de commande de l'embrayage, et la position de référence qu'il doit rejoindre. Toutefois, elles génèrent le plus souvent une commande de tension discontinue, qui présente l'inconvénient de solliciter fortement l'actionneur, au risque d'entraîner des surchauffes du 25 moteur électrique. En résumé, les principales difficultés à surmonter pour contrôler le déplacement d'un élément de commande tel qu'un câble d'embrayage par un système d'actionnement irréversible composé d'un moteur électrique relié par des 30 moyens de transmission mécanique à la commande d'embrayage, sont : - vaincre les frottements qui sont non linéaires, - la précision statique recherchée, qui est de 0,005 mm, 35 - assurer des petits déplacements (de l'ordre de 0,1 mm) sans dépassements de position, pour éliminer les 3035936 - 4 - principales sources d'à-coups de couple en phase de léchage d'embrayage, et - limiter les risques de surchauffe ou de casse du système électrique. 5 La présente invention vise à pallier ces difficultés, pour contrôler la position d'un embrayage de boîte robotisée. Dans ce but, elle propose que la tension de référence soit obtenue par intégration d'une valeur calculée de sa 10 propre dérivée dans le temps. De préférence, la dérivée de la tension de référence inclut un premier terme d'écart entre l'état et la consigne de position de l'élément de commande, un deuxième terme d'écart entre l'état et la consigne de sa vitesse, et un 15 troisième terme d'écart entre l'état et la consigne de la dérivée de sa vitesse. L'intégration du premier terme d'écart donne un terme de compensation représentant le couple résistant du système ; l'intégration du deuxième terme d'écart donne un 20 terme proportionnel sur une erreur de position ; l'intégration du troisième terme donne un terme proportionnel sur une erreur de vitesse. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation 25 non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente un système de pilotage électrique d'embrayage, - la figure 2 met en évidence les écarts d'efforts 30 impliqués sur une course d'ouverture et de fermeture d'embrayage selon son état, et - la figure 3 montre des courbes de position, de tension de commande et de courant moteur lors de la fermeture d'un embrayage. 3035936 -5 Un moteur électrique tel que celui qui est illustré par la figure 1 est représenté par les équations suivantes : Ldl=brrel-kW-R/:équation électrique du moteur dt 5 = T - Td = kl - Td : équation mécanique de déplacement de dt l'embrayage, avec cc): Régime du moteur électrique, T: Couple du moteur électrique, 10 Td: Couple résistant du moteur électrique (entrée exogène inconnue, considérée comme une perturbation) J: Inertie du moteur électrique; /:Courant de l'induit du moteur électrique ; k: Coefficient de la tension induite par le moteur 15 électrique ; R: Résistance de l'induit du moteur électrique ; L: Inductance de l'induit du moteur électrique ; tinf:Tension de référence qu'on veut appliquer aux bornes du moteur électrique, elle est comprise entre U'n et [Fax 20 (typiquement, [Fax sera la tension du réseau de bord) ; Le couple résistant du moteur électrique Td=f(x) est une fonction de la position x du câble de l'embrayage. Il dépend de l'effort appliqué par le système vis-écrou, de l'effort du ressort de rappel, et de l'effort appliqué par 25 le diaphragme de l'embrayage. Cet effort varie également en fonction du degré d'usure de l'embrayage. Différents capteurs mesurent la position du câble x, qui est comprise entre deux butés (position ouverte et fermée), ainsi que la vitesse -dx=V d'un point du câble de l'embrayage. Un capteur dt 30 de courant est également disponible pour fournir une mesure du courant d'induit, du moteur à courant continu. La stratégie de commande proposée vise à déplacer le câble de l'embrayage d'une position initiale x à une 3035936 - 6 - position de référence xref , pour satisfaire les conditions d'un parfait changement de rapport dans la boîte de vitesses, tout en assurant la tenue du système électrique. L'entrée de commande de déplacement du câble est la tension 5 de référence du moteur électrique Uref qui assure ce déplacement. A partir des deux équations ci-dessus, le système par rapport à la position à réguler peut s'écrire : /0 1 0\ kx 10 0 0 7 ( à+ 0 -1 (Urn 19), 1 Tà I k R \II \- 0 --LI \L Dans les méthodes de synthèse de régulateur connues, 10 on utilise par exemple un régulateur de type proportionnel (PID). Dans le cas présent, un tel régulateur ne s'avère pas optimal par rapport aux ordres de grandeurs du système, car le couple résistant à compenser peut être très important et impose dans ces conditions des gains trop importants. Pour 15 obtenir une commande plus continue, l'invention propose de prendre en considération une grandeur physique supplémentaire, telle que la dérivée de la commande Uref. Le système peut alors s'écrire de la manière suivante : - (o 1 o o o`()c 'o o o o ()c 00 0 - 0 0 0 -1 0 - - 20 v 0 0 0 0 -kv + 0 0 0 1 o o o o J 000 o - o o --k 0 ) 0 - 0 0 L L Avec un tel système étendu, la commande principale devient la dérivée de la tension à appliquer au moteur d'actionnement. Conformément à l'invention, la tension de référence Uref est alors obtenue par intégration d'une valeur 25 calculée de sa propre dérivée dans le temps. On assure ainsi une plus grande continuité de la commande synthétisée par le régulateur. De plus, la perturbation à compenser n'est plus 3035936 - 7 - Uref,mais sa dérivée, qui présente l'avantage de tendre vers zéro lorsqu'on arrête de déplacer l'embrayage. On profite de la propriété de la fonction Td=f(x), qui ne peut pas varier à x constant. 5 Pour utiliser ce système étendu, on choisit de préférence une méthode qui prend en compte les gains sur les écarts entre les états et les consignes sur la position du câble x -x'f, sa vitesse v - v'f. La dérivée de la tension de référence [Tref inclut alors de préférence un premier terme 10 d'écart entre l'état et la consigne de position de l'élément de commande (x'f - x), un deuxième terme d'écart entre l'état et la consigne de sa vitesse (v'f - v), et un troisième terme d'écart entre l'état et la consigne de la dérivé de sa vitesse (19"f -1)). L'intégration du premier 15 terme d'écart donne un terme de compensation représentant le couple résistant du système, l'intégration du deuxième terme d'écart donne un terme proportionnel sur une erreur de position. L'intégration du troisième terme donne un terme proportionnel sur une erreur de vitesse. La tension de 20 référence [Tref est alors égale à la somme des trois premiers termes proportionnels, et d'un quatrième terme additionnel proportionnel au courant I. La théorie de Lyapunov permet par exemple de réaliser un régulateur qui réponde à ces critères, et qui présente en 25 plus l'avantage d'avoir un unique paramètre de réglage, ce qui simplifie considérablement la phase de mise au point (MAP) du régulateur. Cette théorie est donc particulièrement appropriée. Toutefois, sans sortir du cadre de l'invention on peut utiliser d'autres méthodes de calcul performantes, 30 pourvu que tous les termes d'écarts et les termes proportionnels ne dépendent que d'un seul paramètre de réglage. En nommant À, le paramètre de réglage dans l'équation de Lyapunov, on obtient le régulateur suivant sur la dérivée 35 de la tension de commande, dans lequel des gains sur l'écart 3035936 - 8 - de position, de vitesse et d'accélération (vref_ i)), dépendent du seul paramètre X: - JL uref = (Â2 + (1+ Â2)2)(xref _ + (3 + 4À.2)(Yl'ef - 1)) - LIÂT I) 5 Par intégration, on en déduit la commande de tension [Tref à appliquer : uref = L (Â2 + (1 + Â2)2) f (xref x) Â(7 22)(xref x) + (3 + 4À.2)(Vref. - y) - 4Â-kr I Dans cette commande, le premier terme est 10 proportionnel à l'intégrale de l'écart de position. Il permet de compenser le couple résistant du système Id (que celui-ci soit dans l'état usé ou neuf). Le deuxième terme est proportionnel à l'erreur de position. Le troisième terme est proportionnel à une erreur de vitesse. Le dernier terme, 15 qualifié « feed-forward », sert à augmenter la dynamique de courant. En résumé, la méthode permet contrôler le déplacement d'un élément de commande d'embrayage par un système d'actionnement irréversible composé d'un moteur électrique 20 d'actionnement relié par des moyens de transmission mécaniques à l'élément de commande d'embrayage, en envoyant au moteur électrique une tension de référence Uref, qui permet à chaque instant de déplacer l'élément de commande, d'une position initiale x à une position de référence x,f. 25 Les différentes étapes de calcul de la commande à l'instant t sont par exemple les suivantes : a) On reçoit l'ensemble des mesures et des consignes : I (t) , x(t), xref(t) et v(t), b) On calcule la trajectoire de référence en vitesse 30 en dérivant la position de référence, soit vref(t) = xre f (t) xref (t - 1) . x) + 2L(7 + L + 22L2) (Yr el« - y) 3035936 - 9 - Ce choix de calcul de trajectoire de référence est simple, et présente différents avantages. Tout d'abord lorsque la consigne de position varie brusquement, on a une impulsion de vitesse vref(t), ce qui signifie qu'on vise 5 instantanément une forte vitesse qui s'annule immédiatement après, si la consigne de position ne varie pas, en limitant ainsi le risque de dépassement. C'est le cas pendant la première phase de la fermeture de l'embrayage, entre t = 0,1 et t = 0,15 sur la première courbe de la figure 3. Le 10 deuxième avantage apparait lorsque xref(t) varie faiblement, par exemple dans la phase de léchage d'embrayage qui suit. Dans ce cas, on a une impulsion de vitesse vref(t) qui permet de suivre exactement la trajectoire correspondant à xref(t). Si xref(t) varie de façon linéaire, on a une vitesse cible 15 constante, qui permet de suivre au mieux l'évolution de la consigne de position. c) On incrémente le terme de commande intégrale : Are/ int(t) = 3'ref int(t - 1) + (xref(t)x(t)) - Ce terme intégral sert à compenser l'évolution du couple 20 résistant du moteur électrique. Il est indispensable de bien séparer la compensation de ce couple, avec le couple nécessaire au suivi de trajectoire. Le couple résistant étant une fonction de la position (et non de la vitesse), il convient d'intégrer l'erreur de position pour compenser au 25 mieux ce terme. Le couple nécessaire au maintien de la vitesse du moteur peut être calculé par la boucle sur l'erreur de vitesse, de la façon suivante : d) On met à jour les erreurs en position et en vitesse : Arefx(t)=xref (t) - x(t) et Are'« v(t)=Vref. (t) - v(t) 30 e) On calcule la nouvelle commande à appliquer : Uref(t) =IL (À.2 + (1 + À2)2)relint(t) À(7 + À + 2À2) Aref x(t) + (3 + 4À2)Aref v(t) - 4À -k1(t) 3035936 - 10 - Le réglage du paramètre À est obtenu par une mise en cohérence des ordres de grandeurs des termes de l'équation de l'étape 5. En réglant à 50 le paramètre À,l'implémentation de cette commande sur un système 5 d'embrayage donne les performances illustrées à titre d'exemple par les courbes de la figure 3. Sur le premier graphe, la consigne de position de l'embrayage est en trait interrompu, et la position mesurée en trait continu. Le cas présenté est un cas de léchage de l'embrayage où il faut 10 pouvoir réguler le plus finement possible la position pour assurer un passage le plus confortable possible pour le conducteur. On peut voir la réaction rapide de l'actionneur, lorsque la consigne passe brutalement de 0 à 4.5mm pour entamer le léchage puis un suivi à moins de 0.1mm de la 15 consigne, lorsque celle-ci varie autour du point de léchage. La commande Uref appliquée pour ce type de déplacement est représentée sur le second graphique, pour un cas de tension disponible de 10V. On voit le passage rapide à 10V pour répondre rapidement à l'échelon de consigne. Pendant la 20 phase de suivi, on utilise très peu de tension et très peu de courant comme on peut le voir dans le dernier graphe ce qui évite l'échauffement du moteur et de l'électronique de puissance pendant la phase de léchage. Celle-ci pouvant durer plusieurs secondes, le régulateur obtenu répond à 25 l'objectif de limiter l'échauffement du dispositif de commande. Ce calcul n'utilise qu'un seul paramètre de réglage. Il offre l'avantage d'avoir toujours le bon ratio entre l'évolution des différents termes de l'équation. Les trois 30 termes de commande prenant en compte les erreurs de position et vitesse sont ainsi mis automatiquement en cohérence, si l'on souhaite faire varier la dynamique de déplacement de l'actionneur. Ceci permet d'assurer toujours la séparation des calculs des termes de suivi de trajectoire et de 35 compensation du couple résistif. Si on souhaite augmenter la dynamique de déplacement de l'actionneur, on peut par 3035936 exemple augmenter la valeur du paramètre À. On augmente ainsi la dynamique d'évolution des termes d'erreur en position et en vitesse. La dynamique d'évolution du terme intégral est également augmentée au plus juste, pour pallier le fait que, 5 si l'actionneur se déplace plus vite, le couple résistant peut également évoluer plus vite. En conservant une grande stabilité de régulation sur une large plage de valeur du paramètre À, on parvient à s'affranchir des contraintes de stabilité pour la 10 calibration du régulateur. Dans ces conditions, le seul critère restant à optimiser est le niveau de courant et de tension utilisé pendant la phase de léchage. L'objectif est alors donc de calibrer le terme il le plus faible possible tout en vérifiant le fait de rester toujours dans une plage 15 de +/-0.005mm autour de la consigne. L'objectif peut être par exemple de ne jamais dépasser 10A dans le moteur lors des phases de léchage, qui peuvent durer jusqu'à plusieurs secondes. Une méthode appropriée consiste à commencer par régler le terme il à une valeur élevée, puis à diminuer 20 cette valeur jusqu'à pouvoir respecter la contrainte sur le courant utilisé, pendant la phase de léchage. En conclusion, la synthèse du régulateur selon la théorie de Lyapunov offre des avantages appréciables pour la mise au point. Toutefois, sans sortir du cadre de 25 l'invention, d'autres théories peuvent être appliquées, dans la mesure où elles permettent de synthétiser un correcteur pour un système étendu à la dérivée de la tension de commande. REVENDICATIONS1. Procédé de contrôle du déplacement d'un élément de commande d'embrayage (4) par un système d'actionnement 5 irréversible composé d'un moteur électrique d'actionnement (1) relié par des moyens de transmission mécaniques (2, 3) à l'élément de commande d'embrayage (4), par envoi au moteur électrique d'une tension de référence (U'ef), qui permet à chaque instant de déplacer l'élément de commande (4), d'une 10 position initiale (x) à une position de référence (x,,f), caractérisé en ce que la tension de référence (Uref) est obtenue par intégration d'une valeur calculée de sa propre dérivée dans le temps. 2. Procédé de contrôle selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce que la dérivée de la tension de référence (Uref) inclut un premier terme d'écart entre l'état et la consigne de position de l'élément de commande (x_ref - x), un deuxième terme d'écart entre l'état et la consigne de sa vitesse (vref - v), et un troisième terme d'écart entre 20 l'état et la consigne de la dérivé de sa vitesse (19"f -1.9). 3. Procédé de contrôle selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'intégration du premier terme d'écart donne un terme de compensation représentant le couple résistant du système, l'intégration du deuxième terme 25 d'écart donne un terme proportionnel sur une erreur de position, et l'intégration du troisième terme donne un terme proportionnel sur une erreur de vitesse. 4. Procédé de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce que la tension de référence (U,f) est 30 égale à la somme des trois premiers termes proportionnels et d'un quatrième terme additionnel proportionnel au courant (/). 5. Procédé de contrôle selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que tous les termes d'écarts et les 35 termes proportionnels ne dépendant que d'un seul paramètre de réglage (X). 3035936 - 13 - 6. Procédé de contrôle selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - on reçoit l'ensemble des mesures et des consignes de courant, de position de position de référence et de vitesse : /(t), x(t), xref(t) et vM, - on calcule la trajectoire de référence en vitesse en dérivant la position de référence, soit vref(t) = xref(t)- xref(t -1), - on incrémente le terme de commande intégrale : Are'« int(t) = ,Arefint(t - (xref(t) - X(0), et - on met à jour les erreurs en position et en vitesse : Arefx(t)=xref (t) - x(t) et Arefv(t)=vref (t) - v(t) . 7. Procédé de contrôle selon la revendication 6, 15 caractérisé en ce qu'il comprend l'étape suivante de calcul de la nouvelle tension de commande (Uref) (t) à appliquer : JL Uref. (t) = -k (À2 + (1 + À2)2)relint(t) À(7 + À + 2À2) Arefx(t) k )+ (3 + 4À2) e v(t) - 4À-1(t)