Brevet FR3050552A1 — publié le 20171027

Procédé de surveillance de l'état 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 Ces actionneurs sont destinés à actionner mécaniquement des surfaces de commande de vol primaire, telles que des ailerons, ou des surfaces de commande secondaire telles que des volets sur les ailes des aéronefs. ETAT DE L'ART L'industrie aéronautique utilise de plus en plus d'actionneurs électromécaniques (« electromechanical actuator EMA » en anglais) pour les systèmes de commande de vol (« flight control system FCS »). Ces actionneurs présentent une meilleure efficacité énergétique pour un poids plus faible que les actionneurs hydrauliques traditionnels. En outre, une maintenance conditionnelle (« condition based maintenance ») peut être utilisée sur ce matériel. L'inspection des actionneurs est généralement effectuée à l'aide d'une méthode nommée « Prognosis and Health Monitoring » (PHM), comprenant six étapes (voir figure 1) : acquisition de données HM1, traitement de données HM2, diagnostic HM3, pronostic HM4, aides à la décision HM5 et interface HM6. Les étapes HM1 à HM4 concernent à proprement parler le « health 30 monitoring HM ». Pour effectuer le PHM, des caractéristiques sensibles à la dégradation du système doivent être extraites. On peut distinguer deux types d'extraction. 3050552 2 Un premier type d'extraction est fondé sur des outils de traitement de signal, comme des techniques temporelles (voir référence [HM-TEMP]), spectrales (voir référence [HM-SPEC]), ou fréquence/temps (voir référence [HM-T/F]) 5 Un deuxième type d'extraction est fondé sur des algorithmes et des modélisations pour obtenir par exemple des résidus (voir références [HM-RES1] et [HM-RES2]), ou en estimant les paramètres du modèle (voir référence [HM-PAR]). L'étape d'extraction est suivie d'une étape de diagnostic, durant laquelle 10 on évalue les caractéristiques du système pour estimer son état. PRESENTATION DE L'INVENTION 15 Un but de l'invention est de proposer un procédé de surveillance de l'état d'un actionneur électromécanique permettant de caractériser l'état de l'actionneur, l'actionneur comprenant un moteur électrique, une pièce mobile propre à être mise en mouvement par le moteur, et des capteurs pour mesurer des données relatives à l'actionneur, l'actionneur étant 20 modélisé informatiquement par un modèle défini par des paramètres, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - (El) Application au moteur d'un signal de consigne de vitesse prédéterminé, le signal de consigne de vitesse comprenant au moins deux paliers, chaque palier étant défini comme une portion du signal de 25 consigne dans laquelle la vitesse est constante sur un intervalle de temps donné, et simultanément - (E2) Simultanément, application à la tige de l'actionneur d'une charge selon un profil temporel prédéterminé, - (E3) Simultanément, enregistrement de données mesurées à l'aide des 30 capteurs, - (E4) Estimation de valeurs numériques des paramètres du modèle de l'actionneur à partir des données mesurées pendant chaque intervalle de temps correspondant aux paliers du signal de consigne, 3050552 3 - (E5) Extraction d'une signature de l'actionneur, la signature comprenant notamment les valeurs numériques des paramètres du modèle tels qu'obtenues à l'issue de l'étape précédente, et/ou des valeurs numériques caractéristiques d'une comparaison entre les valeurs 5 de données mesurées par les capteurs et des valeurs de données simulées correspondantes obtenues à partir du modèle, - (E6) Classification de la signature générée parmi un ensemble de signatures de référence pour caractériser l'état de l'actionneur. 10 L'invention peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - le procédé comprend une étape (E3') de traitement des données mesurées par les capteurs, le traitement comprenant une étape de détermination des valeurs moyennes des données mesurées 15 pendant chaque intervalle de temps correspondant aux paliers du signal de consigne, - la charge appliquée à la pièce mobile est constante durant chaque palier, - une donnée mesurée est la position du moteur, ladite position 20 étant filtrée à l'aide d'un filtre de Kalman pour calculer la vitesse et l'accélération du moteur en limitant les effets liés au bruit, - les paramètres définissant le modèle de l'actionneur comprennent un ou plusieurs paramètre(s) parmi : le coefficient de frottement visqueux, le coefficient de frottement sec, le coefficient de friction 25 de charge, la valeur de l'amplitude du jeu mécanique, la raideur, - le signal de consigne de vitesse est généré à partir d'un signal de consigne de déplacement, - le signal de consigne de position a une forme trapézoïdale en fonction du temps, de sorte que le signal de consigne de vitesse présente au moins deux paliers présentant des valeurs de vitesse différentes, - pour chacun des paliers, au moins deux niveaux de charge différents sont appliqués à des intervalles de temps différents, de 3050552 4 sorte qu'au moins six quatres couples de consignes différentes sont appliqués durant l'enregistrement, - l'étape d'estimation (E4) comprend la mise en oeuvre d'un algorithme d'optimisation comprenant les étapes suivantes : 5 calcul des données simulées à partir du modèle définis par des valeurs des paramètres de l'actionneur, les paramètres étant initialisés à des valeurs arbitraires, calcul d'un score associé au modèle, modification des valeurs des paramètres du modèles et 10 répétition des étapes qui précèdent avec les valeurs de paramètres modifiées jusqu'à l'obtention d'un score prédéterminé. - l'étape de classification (E6) est effectuée à l'aide de la méthode des k plus proches voisins parmi l'ensemble de signatures de 15 référence. - l'actionneur est disposé en parallèle d'un autre actionneur identique et dans lequel l'étape d'application (E2) de la charge est effectuée au moyen de l'autre actionneur. - les actionneurs sont montés sur un aéronef comprenant une aile 20 et une surface volet, l'aileron étant déplacé en rotation ou en translation par rapport à l'aile à l'aide des actionneurs disposés en parallèle, - les données mesurées par les capteurs comprennent une ou plusieurs parmi les données suivantes : l'intensité du courant de 25 phase, la charge appliquée, la vitesse de rotation du rotor du moteur, l'angle de rotation du rotor du moteur, la position de la tige, la tension, la température, la position de l'élément mobile, - les paramètres du modèle comprennent un ou plusieurs paramètre(s) parmi : une raideur, un coefficient d'amortissement 30 de l'élément mobile, une amplitude de jeu entre l'élément mobile et une surface à laquelle est raccordée l'élément mobile, - l'extraction de la signature comprend des valeurs issues de calculs entre des combinaisons de données mesurées. 3050552 5 L'invention concerne aussi une unité de surveillance configurée pour mettre en oeuvre les étapes E3 à E6 précédentes, à partir de données récupérées par les capteurs cités précédemment. En outre, l'unité de 5 surveillance est avantageusement configurée pour appliquer les signaux de consigne de l'étape El à l'actionneur. L'invention concerne aussi un actionneur électro-mécanique et une unité de surveillance associée, conforme à l'unité décrite précédemment. 10 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, 15 et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 déjà présentée illustre le « prognosis health management », - La figure 2 représente de manière schématique un actionneur électromécanique pouvant être surveillé dans le cadre de 20 l'invention, - La figure 3 représente de manière schématique deux actionneurs de la figure 2 installés en parallèle, - La figure 4 représente de manière schématique un modèle de l'actionneur, 25 - La figure 5 représente de manière schématique des formes de signaux de consigne applicables dans le cadre de l'invention, - La figure 6 représente de manière schématique une courbe de charge avec les couples mesurés et identifiés, - Les figures 7a et 7b représentent de manière schématique des 30 courbes de données (courant et charge) mesurées et de données traitées après filtrage, 3050552 6 - La figure 8 représente de manière schématique la position, la vitesse et l'accélération du rotor après filtrage et estimation à l'aide d'un filtre de Kalman, - La figure 9 représente de manière schématique en trois 5 dimensions de l'espace un ensemble de signatures caractéristiques d'états d'actionneurs. DESCRIPTION DETAILLEE 10 Un exemple d'actionneur électro-mécanique 10 est illustré en figure 2. L'actionneur 10 représenté est un actionneur à déplacement linéaire, comprenant un carter, un moteur 11 et une pièce mobile sous la forme d'une tige mobile 12. Le moteur 11 comprend un stator 14 monté fixe par rapport au carter et un rotor 13, avec écrou, mobile en rotation par 15 rapport au stator 14. La tige mobile 12 est mobile en translation par rapport au stator 14 du moteur 11, selon une direction de déplacement parallèle à l'axe de rotation du rotor 13. L'actionneur 10 comprend en outre une pluralité de rouleaux satellites 16 agencés entre le rotor 13 du moteur et la tige mobile 12. Une rotation du rotor 13 par rapport au 20 stator 14 provoque un déplacement de la tige 12 en translation par rapport au stator 14. A cet effet, l'écrou du rotor 13 comprend une surface interne filetée et la tige 12 comprend une surface externe filetée. Les rouleaux 16 présentent une surface externe filetée avec le même pas de filetage que celui de la tige 12, mais ce pas est inversé 25 par rapport à celui de la tige 12. La surface externe filetée de la tige 12 propre à coopérer avec la surface interne filetée du rotor 13 par l'intermédiaire des rouleaux 16 pour convertir un mouvement de rotation du rotor 13 en un mouvement de translation de la tige 12. Le document W0201007932 décrit un tel actionneur. 30 Un autre exemple d'actionneur concerne des actionneurs à déplacement rotatif, dans lequel la pièce mobile est mobile en rotation, 3050552 7 préférablement à débattement réduit, et le rotor du moteur entraine la pièce mobile en rotation par rapport au stator. La figure 3 représente un ensemble d'actionnement d'une surface de 5 commande de vol, comprenant deux actionneurs électromécaniques 10 et 20 identiques à l'actionneur de la figure 2. Dans le cas présent, les deux actionneurs électromécaniques 10, 20 sont disposés en parallèle entre un bâti 100 et une surface 200. Dans un mode de réalisation particulier, le bâti 100 est une aile d'aéronef et la surface 200 est un 10 aileron permettant de contrôler le mouvement de roulis de l'aéronef : les actionneurs permettent de faire pivoter l'aileron par rapport à l'aile de l'aéronef en fonction de la phase de vol (décollage, atterrissage, etc.). La liaison entre le bâti 100 et chaque actionneur 10, 20 est typiquement réalisée à l'aide d'une rotule fixe et la liaison entre la tige 11 de 15 l'actionneur 10, 20 et la surface 200 est typiquement réalisée à l'aide d'une rotule mobile. Chaque actionneur comprend des capteurs internes 17 permettant de mesurer la position de la pièce mobile 12 (en radian ou en mètre) par rapport au stator du moteur, la position du rotor 13 du moteur 11 (en 20 radian) par rapport au stator du moteur, la valeur de l'intensité du courant de phase appliqué au moteur, la charge appliquée sur l'élément mobile (en Newton ou en Newton-mètre), la valeur de la tension d'alimentation du moteur, la température du moteur 11 (du stator 14), la température de la transmission mécanique (par exemple les rouleaux 25 16). Ces informations sont collectées par une unité de traitement 30. L'unité de traitement 30 comprend une unité de calcul 31 ainsi qu'une mémoire 32 pour stocker les informations. Un capteur de température peut aussi mesurer la température des moyens de traitement. Lorsque l'unité de 30 traitement 30 est configurée pour mettre en oeuvre certaines étapes du procédé, on parler d'unité de surveillance. 3050552 8 L'unité de traitement 30 peut comprendre un ordinateur embarqué sur l'aéronef, ou un ordinateur au sol auquel ont été transmises les données. 5 L'actionneur 10 est modélisé informatiquement à l'aide d'un modèle M. Plusieurs variantes peuvent être réalisées, en fonction de la précision recherchée. Ces variantes concernent par exemple la modélisation du couple de 10 frottement au sein de l'actionneur 10, ou encore la modélisation de la chaine cinématique entre la tige 12 et le moteur 11. Les couples considérés appliqués sur le moteur 11 sont les suivants : - Le couple électromagnétique, proportionnel à l'intensité du 15 courant i, exprimé sous la forme : Tem = plpmici (2) Avec p le nombre de paires de pôles, 1pm le flux magnétique permanent de l'aimant et iq le courant dans le référentiel de Park, - Le couple de charge, transmis par la tige 12 de l'actionneur 10 au 20 rotor 13, - Le couple inertiel. Le couple inertiel s'exprime par : c112 Tl=Jdt Avec J l'inertie équivalent de tous les éléments (kg.m2). 25 Dans un type de modèle, on suppose que l'actionneur 10 est la source principale de frottement (on néglige les frottements liés aux liaisons avec le volet par exemple). Dans ce cas, les frottements liés au moteur et à la tige sont considérés comme uns. Karam (voir référence [FROT]) 30 a proposé un modèle s'exprimant de la façon suivante : (3) Tf = GD + s(12)[C d + Kiabs(T 1)] (4) 3050552 9 où Tf est le couple de frottement (Nm), S2 la vitesse du rotor (rad/s), Cv le paramètre de frottement visqueux (Nm), s la fonction signe, Cd le paramètre de frottement sec Cd (Nm), KI le paramètre de frottement de charge (Nm), abs la fonction valeur absolue et Tl le couple de charge, lié 5 à la charge FI (N) appliqué sur la tige par la relation / Fl =Fl= - 27/- r avec I le pas (m) et r le ratio rotation/translation. Un autre modèle, fondé sur le premier, est illustré à l'aide de la figure 10 5. Dans ce modèle issue de la référence [JEU], la déformation de la tige et le jeu (« backlash » en anglais) existant au niveau du filetage entre la tige 11 et le rotor 13 sont pris en compte. Le jeu visé ici est celui qui correspond à la distance maximum ou l'angle maximum vers lequel une partie d'un système mécanique peut être déplacée dans une direction 15 sans appliquer de force ou de mouvement mesurable à la partie suivante dans la chaine cinématique. X, représente la position équivalente du moteur, x, la position intermédiaire, xst la position de la tige, kst le paramètre de raideur de la tige, cst le paramètre d'amortissement et 2a l'amplitude du jeu (m). 20 On définit : - L'écart de déplacement par : xd=x,-xst, - la position du jeu par xb=x,-xst et - la déformation de la tige par xs=x'-x,. La force de déformation, qui fait le lien entre le moteur 11 et la tige 12 25 peut être calculée comme suit : Fs = Fkst post = kst(xs xso) + csOes (7) 3050552 10 Finalement, on peut distinguer trois cas qui permettent de définir la dynamique de xb - le contact à gauche (xb=-a et Fs # 0) : 5 zb = max [0; )d + '9tic (Xd xb Xs01 (9) cst - le contact à droite (xb=+a et Fs # 0) : xb = min [0; xd (xd - xb - xsol (10) -st 10 - l'absence de contact, ce qui est à l'origine du jeu, (Ixbi aiim Sain (classe 1) Défaut (classe 2) Fd > Fdljm Défaut (classe 2) Sain (classe 1) a > ah, et Fd > Fdljm Défaut (classe 2) Défaut (classe 2) Dans une première étape, une analyse en composante principale est effectuée pour évaluer la séparabilité des classes. La figure 9 montre une représentation en trois dimensions de cette séparation entre la 10 première classe (croix) et la deuxième classe (rond). La distance entre les signatures et/ou les classes est représentée sous forme d'une distance physique. Pour se prémunir du surapprentissage (« overtiffing »), une sélection 15 dite SBS pour « Sequential Backwards feature Selection » est effectuée. Cette sélection fonctionne itérativement en supprimant les composantes les moins importantes en fonction de critère(s) prédéfini(s). Afin de tester cette phase d'apprentissage, une méthode de validation 20 croisée (par exemple « leave one out ») est utilisée : on utilise n-1 points comme signatures de référence SigR pour générer des classes (apprentissage) et le point n est utilisé comme signature de test Sig (prédiction). La méthode est répétée n fois, en changeant de signature de test à chaque fois. 25 Références 3050552 19 [HM-TEMP] - P. VeêeF, M. Kreidl, and R. Smid, "Condition indicators for gearbox condition monitoring systems," Acta Polytech., vol. 45, no. 6, 2005. [HM-SPEC] -J. Harmouche, C. Delpha, and D. Diallo, "Linear discriminant analysis for the discrimination of faults in bearing balls by using spectral features," presented at the International Conference on Green Energy, 2014, pp. 182-187. [HM- T/F] - J. Lin and M. Zhao, "A review and strategy for the diagnosis of speed-varying machinery," presented at the IEEE Conference on Prognostics and Health Management, 2014, pp. 1-9. 15 [HM-RES1] -N. Leboeuf, T. Boileau, B. Nahid-Mobarakeh, G. Clerc, and F. Meibody-Tabar, "Real-Time Detection of Interturn Faults in PM Drives Using Back-EMF Estimation and Residual Analysis," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 47, no. 6, pp. 2402-2412, Nov. 2011. 20 [HM-RES2] -G. Vinson, M. Combacau, T. Prado, and P. Ribot, "Permanent magnets synchronous machines faults detection and identification," presented at the 38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, 2012, pp. 3925-3930. 25 [HM-PAR] - R. S. Kraleti, M. Zawodniok, and S. Jagannathan, "Mode) based diagnostics and prognostics of three-phase induction motor for vapor compressor applications," presented at the IEEE Conference on Prognostics and Health Management, 2012, pp. 1-7. 30 [FROT] - W. Karam, "Générateurs de forces statiques et dynamiques à haute puissance en technologie électromagnétique," Université de Toulouse, 2007. 5 10 3050552 20 [JEU] - A. Lagerberg and B. Egardt, "Backlash estimation with application to automotive powertrains," Control Syst. Technol. IEEE Trans. On, vol. 15, no. 3, pp. 483-493,2007. 5 [DEF] - P. C. Lemor, "The roller screw, an efficient and reliable mechanical component of electro-mechanical actuators," 1996, vol. 1, pp. 215-220. REVENDICATIONS1. Procédé de surveillance de l'état d'un actionneur électro-mécanique (10), l'actionneur comprenant un moteur électrique (11), une pièce mobile (12) propre à être mise en mouvement par le moteur (11), et des capteurs (17) pour mesurer des données relatives à l'actionneur (10), l'actionneur (10) étant modélisé informatiquement par un modèle défini par des paramètres (Cv, Cl, KI, a, k), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - (El) Application au moteur d'un signal de consigne de vitesse (S2(t)) prédéterminé, le signal de consigne de vitesse (Q(t)) comprenant au moins deux paliers (P1, P2, ...), chaque palier étant défini comme une portion du signal de consigne dans laquelle la vitesse est constante sur un intervalle de temps donné, et - (E2) Simultanément, application à la tige de l'actionneur d'une charge selon un profil temporel prédéterminé, - (E3) Simultanément, enregistrement de données mesurées à l'aide des capteurs (17), - (E4) Estimation de valeurs numériques des paramètres du modèle de 20 l'actionneur (10) à partir des données mesurées pendant chaque intervalle de temps correspondant aux paliers du signal de consigne, - (E5) Extraction d'une signature de l'actionneur (Sig), la signature comprenant notamment les valeurs numériques des paramètres du modèle tels qu'obtenues à l'issue de l'étape précédente, et/ou des 25 valeurs numériques caractéristiques d'une comparaison entre les valeurs de données mesurées par les capteurs et des valeurs de données simulées correspondantes obtenues à partir du modèle, - (E6) Classification de la signature générée parmi un ensemble de signatures de référence (SigR) pour caractériser l'état de l'actionneur 30 (10). 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre une étape de : 3050552 22 - Traitement des données mesurées par les capteurs (17), le traitement comprenant une étape de détermination des valeurs moyennes des données mesurées' pendant chaque intervalle de temps correspondant aux paliers (P1, P2) du signal de consigne. 5 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la charge appliquée à la pièce mobile (12) est constante durant chaque palier. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel une donnée 10 mesurée est la position du moteur (11), ladite position étant filtrée à l'aide d'un filtre de Kalman pour calculer la vitesse et l'accélération du moteur en limitant les effets liés au bruit. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans 15 lequel les paramètres définissant le modèle de l'actionneur (10) comprennent un ou plusieurs paramètre(s) parmi : le coefficient de frottement visqueux (Cv), le coefficient de frottement sec (Cd), le coefficient de friction de charge (KI), la valeur de l'amplitude du jeu mécanique (a), la raideur (k). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le signal de consigne de vitesse (S2(t)) est généré à partir d'un signal de consigne de déplacement (8(t)). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le signal de consigne de position a une forme trapézoïdale en fonction du temps, de sorte que le signal de consigne de vitesse présente au moins deux paliers (P1, P2, P3) présentant des valeurs de vitesse différentes. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel pour chacun des paliers, au moins deux niveaux de charge différents sont appliqués à des intervalles de temps différents, de sorte 3050552 23 qu'au moins quatre couples de consignes différentes sont appliqués durant l'enregistrement. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans 5 lequel l'étape d'estimation (E4) comprend la mise en oeuvre d'un algorithme d'optimisation comprenant les étapes suivantes : - calcul des données simulées à partir du modèle définis par des valeurs des paramètres de l'actionneur, les paramètres étant initialisés à des valeurs arbitraires, 10 - calcul d'un score associé au modèle, - modification des valeurs des paramètres du modèles et répétition des étapes qui précèdent avec les valeurs de paramètres modifiées jusqu'à l'obtention d'un score prédéterminé. 15 10. Procédé selon l'une des revendications qui précèdent, dans lequel l'étape de classification (E6) est effectuée à l'aide de la méthode des k plus proches voisins (k-NN) parmi l'ensemble de signatures de référence (BDD). 20 11. Procédé selon l'une des revendications qui précèdent, dans lequel l'actionneur (10) est disposé en parallèle d'un autre actionneur identique et dans lequel l'étape d'application (E2) de la charge est effectuée au moyen de l'autre actionneur. 25 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel les actionneurs sont montés sur un aéronef comprenant une aile (100) et une surface (200) déplacée en rotation ou en translation par rapport à l'aile (100) à l'aide des actionneurs (10, 20) disposés en parallèle. 30 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les données mesurées par les capteurs comprennent une ou plusieurs parmi les données suivantes : l'intensité du courant de phase, la charge appliquée (FI), la vitesse de rotation du rotor (13) du moteur 3050552 24 (11), l'angle de rotation du rotor (13) du moteur , la position de la tige, la tension, la température, la position de l'élément mobile (12). 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 dans lequel les paramètres du modèle comprennent un ou plusieurs paramètre(s) parmi : une raideur, un coefficient d'amortissement de l'élément mobile, une amplitude de jeu entre l'élément mobile et une surface à laquelle est raccordée l'élément mobile. 10 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'extraction de la signature (Sig) comprend des valeurs issues de calculs entre des combinaisons de données mesurées. 15