Brevet FR3050523A1 — publié le 20171027

Procédé d'estimation du jeu d'un actionneur électro-mécanique DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne le domaine de la surveillance des actionneurs dans les aéronefs, et plus précisément la surveillance des actionneurs électromécaniques à l'aide d'une estimation du jeu (en anglais « backlash ») présent dans l'actionneur. Ces actionneurs sont par exemple destinés à actionner mécaniquement des volets sur les ailes des aéronefs. Le jeu S visé ici est un jeu mécanique correspondant à la distance ou l'angle que doit parcourir une pièce P1 d'un système mécanique avant de pouvoir transmettre un mouvement ou un effort à une autre pièce P2 dudit système (voir figure 1). Ce phénomène est fréquent dans les composants de couplages mécaniques, tels que les boites de vitesse, les vis-à-billes, les roulements à rouleaux satellites, etc. En général, le jeu se fait ressentir lors de l'inversion du sens de fonctionnement de l'actionneur. La connaissance de ce jeu est nécessaire pour améliorer la détection de défaut, et pour établir des diagnostiques et pronostiques, comme utilisé dans des méthodes de « Prognosis and Health Monitoring (PHM) ». En particulier, on cherche à connaitre l'amplitude du jeu, qui est une constante et ne dépend pas de la valeur à un instant donné du jeu de l'actionneur. ETAT DE L'ART Plusieurs publications ont proposé des modélisations et des implémentations de ce jeu. 3050523 2 Une approche commune est de considérer le jeu comme une zone morte. D'autres approches considèrent la pièce concernée comme élastique, de sorte que le jeu soit compris dans cette élasticité. 5 En 2007, Lagerberg [REF NL-EKF] a développé un estimateur non- linéaire pour l'amplitude et l'état du jeu à l'aide du formalisme du filtre de Kalman, dans lequel l'estimateur considère le système comme alternant entre un deux modes linéaires, appelés « mode de contact » et « mode de jeu » dans un référentiel absolu. Mais le procédé est coûteux 10 en matière de ressources. Il n'existe ainsi pas de méthode rapide et efficace pour évaluer cette donnée. PRESENTATION DE L'INVENTION 15 L'invention propose un procédé de caractérisation de l'amplitude d'un jeu mécanique d'un actionneur électro-mécanique, l'actionneur électromécanique comprenant un moteur électrique et un élément mobile apte à être mis en mouvement par le moteur, ledit jeu étant défini comme 20 une distance ou un angle que doit parcourir l'un du moteur et de l'élément mobile avant de pouvoir transmettre un mouvement ou un effort à l'autre, l'actionneur comprenant un capteur amont propre à mesurer une position du moteur et un capteur aval propre à mesurer une position de 25 l'élément mobile, ainsi qu'un capteur d'effort propre à mesurer une charge appliquée à l'élément mobile, le procédé comprenant des étapes de : - (El) Mesure de la position du moteur, de la position de l'élément mobile et de la charge appliquée à l'élément mobile à l'aide des trois 30 capteurs, - (E2) A partir d'une modélisation informatique de l'actionneur et de la position mesurée du moteur, de la position mesurée de l'élément mobile et de la charge appliquée à l'élément mobile mesurée, estimation d'une 3050523 3 valeur de jeu mécanique à l'aide d'un observateur d'état en considérant le jeu comme une composante de l'état, - (E3) Détermination de l'amplitude du jeu à partir d'un ensemble de valeurs de la variable dynamique obtenues à l'étape précédente pour 5 différents instants. L'invention peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seul ou en combinaison : - le jeu S(t) est modélisé sous la forme : s(t) = 0 + b(t) 10 où S est le jeu, b est un bruit blanc aléatoire de densité spectrale connue, et t est le temps. - une des composantes de l'état de l'observateur d'état est un écart 15X(t) entre la position mesurée de l'élément mobile X2(t) et 15 la position mesurée du moteur X1(t), de sorte que le vecteur d'état x s'exprime sous la forme suivante : x = usx 8X sF où (SX = X2 - Xl, et la grandeur de sortie mesurée de l'observateur d'état s'exprime sous la forme suivante : y = [8X] 20 - l'observateur d'état est modélisé sous la forme suivante : rx = Ax(t) + Bu(t) + Mw(t) y(t) = Cx(t) + v(t) w et v étant respectivement des perturbations et un bruit de mesure, u(t) étant la commande, avec u(t) étant égale à la charge appliquée à l'élément mobile, mesurée par le capteur d'effort, 25 avec 3050523 4 A =[0 1 0 K -f K ms ms ms 0 0 0 1 01T B = [0 ms 0 0 0 1 M =[0 0 ms 0 0 1 C = [1 0 0]T où K est une raideur de l'actionneur, f un coefficient d'amortissement, ms une masse de l'élément mobile, - l'observateur d'état est un observateur de Kalman, 5 - l'estimateur de Kalman est discrétisé, - en notant x(kTs) = x(k) où Ts est une période d'échantillonnage, l'observateur de Kalman est défini par les équations d'état 10 discrètes: Jc(k + 1) = Adx(k) + Bdu(k) + Mdw(k) y(k) = Cdx(k) + v(k) où Ad = eliTs Ts Bd = J eAP Bdp o Md = In Cd = C où In est la matrice identité. 15 - l'amplitude du jeu est calculée comme un écart entre une moyenne des valeurs maximales du jeu estimé et une moyenne des valeurs minimales du jeu estimé parmi l'ensemble de valeurs du jeu, 3050523 5 - l'amplitude du jeu AS est calculée comme suit : AS = Sp(k) v Sn(k) n k=1 k=1 où S p (k) = (k) / S (k) S p(k) = j S(k) / S (k) REVENDICATIONS1. Procédé de caractérisation de l'amplitude (AS) d'un jeu (S(t) d'un actionneur électro-mécanique (10), l'actionneur électro-mécanique comprenant un moteur électrique (11) et un élément mobile (1) apte à être mis en mouvement par le moteur, ledit jeu (S) étant défini comme une distance ou un angle (m, rad) que doit parcourir l'un du moteur (11) et de l'élément mobile (12) avant de pouvoir transmettre un mouvement ou un effort à l'autre, l'actionneur (10) comprenant un capteur amont (41) propre à mesurer une position du moteur (X1(t)) et un capteur aval (42) propre à mesurer une position de l'élément mobile (X2(t)), ainsi qu'un capteur d'effort (43) propre à mesurer une charge appliquée à l'élément mobile (F1(t)), le procédé comprenant des étapes de : - (El) Mesure de la position du moteur (X1(t)), de la position de l'élément mobile (X2(t)) et de la charge appliquée (F1(t)) à l'élément mobile à l'aide des trois capteurs, - (E2) A partir d'une modélisation informatique de l'actionneur et de la position mesurée du moteur (X1(t)), de la position mesurée de l'élément mobile (X2(t)) et de la charge appliquée (F1(t)) à l'élément mobile mesurée, estimation d'une valeur de jeu mécanique (S(t)) à l'aide d'un observateur d'état en considérant le jeu (S(t)) comme une composante de l'état, - (E3) Détermination de l'amplitude du jeu (AS) à partir d'un ensemble de valeurs de la variable dynamique obtenues à l'étape précédente pour différents instants (t). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le jeu S(t) est modélisé 30 sous la forme : S(t) = 0 + bit) où S est le jeu, b est un bruit blanc aléatoire de densité spectrale connue, et t est le temps. 3050523 18 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel une des composantes de l'état de l'observateur d'état est un écart 15X(t) entre la position mesurée de l'élément mobile X2(t) et la position mesurée du moteur 5 X1(t), de sorte que le vecteur d'état x s'exprime sous la forme suivante x = usx e si T où (SX = X2 - Xl, et la grandeur de sortie mesurée de l'observateur d'état s'exprime sous la forme suivante : y = [8,1T 10 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'observateur d'état est modélisé sous la forme suivante : rx = Ax(t) + Bu(t) + Mw(t) t y(t) = Cx(t) + v(t) w et y étant respectivement des perturbations et un bruit de mesure, u(t) étant la commande, avec u(t) étant égale à la charge appliquée à 15 l'élément mobile (12), mesurée par le capteur d'effort (43), avec 0 1 0 -K -f K A =[- ms ms ms 0 0 0 1 B = [0 01 ms M= [0 0 ms 0 0 0 1 0 0 1 C = [1 0 0]T où K est une raideur de l'actionneur, f un coefficient d'amortissement, ms une masse de l'élément mobile. T 20 3050523 19 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'observateur d'état est un observateur de Kalman. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'estimateur de Kalman 5 est discrétisé. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'amplitude du jeu (AS) est calculée comme un écart entre une 10 moyenne des valeurs maximales du jeu estimé (S) et une moyenne des valeurs minimales du jeu estimé (S) parmi l'ensemble de valeurs du jeu. 8. Procédé selon les revendications 6 et 7 en combinaison, dans lequel l'amplitude du jeu (AS) est calculée comme suit : AS = Sp(k) v Sn(k) n k=1 k=1 S p(k) = (k) / S (k) max[S(k)] + min[S(k)]} 2 S p(k) = j S(k) / S (k) 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'actionneur est monté sur un aéronef et dans lequel l'étape de 20 mesure (El) est effectuée en vol avec un profil opérationnel. 10. Unité de surveillance (30) pour caractériser de l'amplitude (AS) d'un jeu (S(t)) d'un actionneur électro-mécanique, l'actionneur électromécanique comprenant un moteur électrique et un élément mobile 25 propre à être mis en mouvement par le moteur, ledit jeu étant défini comme une distance ou un angle (m, rad) que doit parcourir l'un du 15 où 3050523 20 moteur et de l'élément mobile avant de pouvoir transmettre un mouvement ou un effort à l'autre, l'actionneur (10) comprenant un capteur amont (41) propre à mesurer une position du moteur (X1(t)) et un capteur aval (42) propre à 5 mesurer une position de l'élément mobile (X2(t)), ainsi qu'un capteur d'effort (43) propre à mesurer une charge appliquée sur l'élément mobile (F1(t)), l'unité (30) étant configurée pour : - A partir d'une modélisation informatique de l'actionneur et de 10 la position mesurée du moteur (X1(t)), de la position mesurée de l'élément mobile (X2(t)) et de la charge appliquée (F1(t)) à l'élément mobile mesurée, estimer une valeur du jeu (S(t)) à l'aide d'un observateur d'état en considérant le jeu (S(t)) comme une composante de l'état du système, et 15 - Déterminer une amplitude du jeu (AS) à partir d'un ensemble de valeurs du jeu obtenues à l'étape précédente pour différents instants (t). 11. Actionneur électro-mécanique et unité de surveillance associée (30), 20 l'unité de surveillance étant conforme à la revendication 10.