Brevet FR3073638A1 — publié le 20190517

La présente invention porte sur le domaine technique des directions assistées électriques et notamment sur le ressenti conducteur au volant. Il existe plusieurs types de directions assistées et l'invention porte sur les systèmes de direction assistée électrique dite « D.A.E. », qui utilise un moteur électrique pour assister le conducteur dans la direction de son véhicule. Le premier objectif de la direction assistée électrique est l'assistance c'est-à-dire la réduction du couple volant/conducteur sur un mouvement installé. Ainsi, un capteur de couple volant/conducteur est configuré pour mesurer le couple exercé par le conducteur sur la colonne de direction du véhicule et un calculateur détermine l'assistance associée et pilote le moteur électrique de la direction assistée électrique en fonction du couple mesuré et des conditions de conduite pour fournir un couple additionnel sur le pignon de la crémaillère reliée d'une part au volant par la colonne de direction et d'autre part aux roues par le biais de biellettes de direction. Le deuxième objectif de la direction assistée électrique est de fournir au conducteur un bon ressenti au volant, ce que l'on appelle un « steer feel » en anglais. Le défaut de ces premières « lois d'assistance » qui sont basées uniquement sur le couple volant/conducteur, est que le conducteur ressent beaucoup le frottement mécanique de la direction, ce qui est jugé comme étant imprécis. En effet, sur des petits mouvements notamment proche du zéro, quand il y a très peu de couple, s'il y a un mouvement dans un sens, le couple est relâché, l'assistance s'arrête et le conducteur a un ressenti de collage au niveau du frottement de la direction, c'est-à-dire que le frottement mécanique de la direction assistée électrique vient réduire voir annuler les mouvements de crémaillère sous faible sollicitation d'effort conducteur, ce qui dégrade la précision de conduite en imposant des variations de couple conducteur fortes et non linéaires pour atteindre des corrections de mouvement fines. On va alors observer une hystérésis : c'est-à-dire que le couple volant/conducteur dans un sens est différent du couple volant/conducteur dans l'autre sens. Pour améliorer le ressenti, il faut réduire cette hystérésis, en compensant le frottement mécanique de la direction de manière continue y compris sur de faibles sollicitations conducteur et donc très faibles vitesses de déplacement. Lorsque la vitesse est nettement installée par exemple lorsqu'elle est supérieure à 200/s, il est assez aisé de compenser le frottement grâce aux mesures du capteur de vitesse moteur de la direction assistée électrique. En effet, on peut détecter le sens du mouvement et compenser le frottement, comme physiquement le frottement dynamique est d'une certaine valeur opposée au mouvement. 2 Cependant, une fonction de compensation de frottement dans la zone de collage c'est-à-dire pour des vitesses de déplacement inférieures à environ 2°/s en valeur absolue, implique le besoin de savoir estimer finement et donc en temps réel un taux intermédiaire de frottement inférieur à 1 en valeur absolue. Cette demande 5 est donc nettement plus contraignante que le besoin correspondant à d'autres fonctions de compensations de frottement uniquement basées sur un signal de vitesse du moteur de la direction assistée électrique et donc inactives pour des valeurs absolues de vitesse moteur inférieures à un seuil pour éviter des phénomènes d'oscillations qu'induisent nécessairement le bruit capteur. 10 Il n'existe pas de capteur physique qui puisse permettre la mesure du taux intermédiaire de frottement. On peut cependant estimer ce taux intermédiaire de frottement par un modèle mathématique. Il existe de nombreux modèles estimant le frottement mais qui posent des problèmes de discontinuité sur des cycles de faible amplitude et induisent donc des défauts de ressenti au volant quand ils sont associés 15 à des fonctions de compensation de frottement. L'invention a pour objectif de palier à tout ou partie des inconvénients précités en proposant un procédé d'estimation continue du taux intermédiaire de frottement, permettant son intégration dans un procédé de compensation de frottement global afin d'améliorer le ressenti au volant de manière continue et 20 notamment pour des vitesses de déplacement inférieures à un seuil déterminé, le seuil étant compris entre sensiblement 0.5°/s et 3°/s en valeur absolue, préférentiellement entre sensiblement 1,5°/s et 2,5°/s en valeur absolue et encore plus préférentiellement de 2°/s. L'invention a donc pour objet un procédé d'estimation continue du taux 25 intermédiaire de frottement notamment pour des vitesses de déplacement inférieures à un seuil déterminé, dans une direction assistée électrique de véhicule, caractérisé en ce que ledit procédé d'estimation comprend les étapes suivantes : (a) Mesure d'une première vitesse, ladite mesure étant réalisée par un capteur de vitesse configuré pour mesurer la vitesse du moteur électrique de la 30 direction assistée électrique, (b) Détermination d'une deuxième vitesse à partir d'une mesure du couple volant/conducteur, ladite mesure de couple étant réalisée par un capteur de couple configuré pour mesurer le couple entre le volant et la crémaillère de la direction assistée électrique, 35 (c) Somme de la première vitesse et de la deuxième vitesse, la somme étant dénommée vitesse volant, 3 (d) Application du modèle de LuGre à la somme déterminée en étape (c) utilisée en tant qu'entrée dudit modèle (e) Obtention d'une estimation continue du taux intermédiaire de frottement (w). 5 Avantageusement, le procédé d'estimation selon l'invention utilise un modèle de LuGre qui ne présente pas de problème de discontinuité. Le modèle de LuGre utilise un principe d'intégration et a des propriétés de représentation des cycles de frottement tout en permettant d'avoir une certaine continuité sur des taux intermédiaires de frottement. 10 Le modèle de LuGre utilisé est décrit classiquement par : i v-ddz vt= g(v)Z = V - «OZ F = o-oz + a1z + (v) 15 Où v est la vitesse entre deux surfaces en contact, z est l'état de frottement interne et F est une force de frottement déterminée. Comparé au modèle de Dahl, le modèle de LuGre présente une fonction g(v) dépendante de la vitesse au lieu d'une constante, un amortissement additionnel al associé à un micro- 20 déplacement et une forme générale f(v) pour le terme dépendant de la vitesse et sans mémoire. L'état z, qui est analogue à l'effort décrit dans le modèle de Da hl, peut être interprété comme une déviation moyenne. Le modèle de LuGre reproduit un comportement de rappel pour les petits mouvements, dans lequel le paramètre a° est la raideur, al est le micro-amortissement et f(v) représente le frottement visqueux, 25 typiquement f(v) = a2v. Pour une vitesse constante, l'état stable de la force de frottement Fss est donné par : Fss (y) = g(v)sgn(v) + f où g(v) dépend de la loi de frottement de Coulomb et l'effet de Stribeck. Selon une caractéristique de l'invention, appliquer le LuGre selon 30 l'invention revient à modéliser le système par une seule masse dont la vitesse est représentée par l'entrée du modèle de LuGre. Avantageusement, Le modèle de LuGre ne donne pas directement le taux intermédiaire de frottement, il estime le coefficient de frottement u du système. 4 Selon une autre caractéristique de l'invention, l'estimation continue du coefficient de frottement u du système peut être représentée par l'équation suivante ji ,vspeed T o sPeed = sat,o ao v v ehi cl e , dynamic)-Z ± a 1 ( \ vvehicle,T dynamic) - a* où V correspond à la vitesse du véhicule, T correspond à la température de direction, a* correspond au coefficient de frottement dynamique du système 10 mesuré sur banc d'essai, al correspond au micro-amortissement, z correspond à l'état de frottement interne. Le coefficient de frottement u varie entre +/- la valeur théorique a* 15 identifiée sur banc. Ainsi, le coefficient de frottement u obtenu est configuré pour varier entre +a* et -a*. C'est la division de ce coefficient u par la valeur théorique a* qui permet d'obtenir le taux intermédiaire de frottement w, qui varie entre -1 et +1. Ainsi, et selon une forme de réalisation de l'invention la détermination du 20 taux intermédiaire de frottement w est réalisée selon l'équation suivante : w = lila* Par conséquent, le taux intermédiaire de frottement obtenu est configuré pour varier entre -1 et +1. 25 Selon une autre caractéristique de l'invention, la détermination de la deuxième vitesse de l'étape (b) est réalisée selon les sous-étapes suivantes : (si) mesure du couple volant/conducteur un capteur de couple configuré pour mesurer le couple entre le volant et la crémaillère de la direction assistée électrique, 30 (s2) dérivation temporelle de la mesure de couple (s3) application de la dérivée obtenue en sous-étape s2 à une raideur déterminée k (s4) obtention d'une deuxième vitesse dite vitesse de couple. 5 35 L'invention a également pour objet un procédé de compensation de frottement d'une direction assistée électrique, caractérisé en ce que le procédé de 5 compensation prend en compte une estimation continue du taux intermédiaire de frottement obtenue par le procédé d'estimation continue selon l'invention. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé de compensation comprend au moins les étapes suivantes : 5 El - Mise en oeuvre du procédé d'estimation continue du taux intermédiaire de frottement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, obtention d'au moins une estimation continue du taux intermédiaire de frottement (w), et d'au moins une amplitude de frottement dynamique estimé, et modulation de l'estimation du frottement (FRI) par l'estimation continue du taux intermédiaire de 10 frottement (w), E2 - Obtention de l'amplitude d'un frottement déterminée correspondant au frottement voulu TFtaRrc.getde la direction assistée électrique, E3 - Différence entre l'amplitude de frottement dynamique estimé et de l'amplitude du frottement dynamique voulu 15 E4 - Produit du résultat de la différence obtenue en étape E3 avec l'estimation continue du taux intermédiaire de frottement (w) afin d'obtenir une valeur X, E5 - Différence entre la valeur X obtenue en étape E4, avec l'estimation déterminée de l'ensemble des forces s'opposant au mouvement (RFE) (pour 20 compenser RFE) E6 - Compensation de la direction assistée par le contrôle du couple conducteur par un contrôleur (CPU) en fonction du couple conducteur cible et du couple conducteur mesuré. La prise en compte de l'estimation continue du taux intermédiaire de frottement dans 25 le procédé de compensation permet de changer l'hystérésis de l'estimateur d'effort crémaillère afin que ladite hystérésis devienne adaptée au frottement voulu. Ce procédé de compensation permet ainsi une plus grande précision dans le ressenti volant c'est-à-dire que l'hystérésis ressentie est exactement au niveau voulu. En outre, le procédé permet une fonction de robustesse c'est-à-dire que le procédé est auto- 30 adaptatif en fonction du frottement réel de la direction. Selon une forme de réalisation de l'invention, l'étape E2 peut être obtenue au moyen d'un abaque ou d'une base de données préétablie ou d'une entrée de donnée déterminée. Selon une forme de réalisation de l'invention, le contrôle du couple 35 conducteur est réalisé en boucle fermée. 6 L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après qui se rapporte à un mode de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : 5 - la figure 1 est un schéma représentatif du procédé d'estimation selon nvention, - la figure 2 est un schéma représentatif d'une architecture du contrôleur d'une la direction assistée électrique mettant en oeuvre le procédé de compensation de l'invention, 10 - la figure 3 est un schéma représentatif du procédé de compensation selon l'invention, - la figure 4 est une vue schématique d'un dispositif de direction auquel s'applique l'invention, - la figure 5 est un graphique illustrant deux courbes d'hystérésis avec 15 et sans compensation de frottement. Comme illustré à la figure 1, le procédé d'estimation continue d'un taux intermédiaire de frottement, comprend une étape (a) de mesure d'une première vitesse au moyen d'un capteur de vitesse du moteur électrique du véhicule. Cette première vitesse est représentée par la référence Ôpini' . Le procédé d'estimation 20 comprend une étape (b) de détermination d'une deuxième vitesse, comprenant une sous-étape si de mesure du couple volant/conducteur représentée par la référence TPoarrsion, et une sous-étape s2 de dérivation temporelle de la mesure du couple volant et dans laquelle on applique un gain à la dérivée. Le procédé d'estimation comprend une étape (c) de somme des premières et deuxièmes vitesses, représentée par 25 l'encadré référencé Ion obtient alors une vitesse dite vitesse volant appelée éllseteheereng . L'étape (d) du procédé d'estimation est représentée par l'encadré LuGre consistant à simuler un modèle de direction simplifié à une dimension (une masse) et un frottement de LuGre, dont la seule vitesse d'entrée est la somme obtenue dans l'étape (c) précédente. Enfin, on obtient une estimation continue du taux 30 intermédiaire de frottement de la direction assistée électrique représentée par la référence w. En figure 2 est illustré un schéma du contrôleur CPU de la direction assistée électrique d'un véhicule. 35 Comme illustré en figure 3, le procédé de compensation comprend une étape El de mise en oeuvre du procédé d'estimation continue, ce procédé 7 d'estimation est illustré en détail en figure 1 et également pris en compte dans le procédé de compensation de frottement. En figure 3, l'encadré référencé FRI représente l'estimation du frottement et comprend au moins une composante qui est l'estimation continue du 5 taux intermédiaire de frottement w, obtenue par le procédé illustré en figure 1, et une autre composante qui est l'amplitude de frottement dynamique estimé. En outre, au moyen d'un abaque ou d'une base de données préétablie par exemple une cartographie tunable, on obtient l'amplitude du frottement dynamique voulu pour la direction assistée électrique : il s'agit de l'étape E2 du procédé de compensation qui 10 est illustrée en figure 3 dans l'encadré référencé FRC. En étape E3 du procédé de compensation, on fait la différence de l'amplitude de frottement dynamique estimé et de l'amplitude du frottement dynamique voulu et en étape E4, on fait le produit du résultat de la différence avec l'estimation continue du taux intermédiaire de frottement w ce qui nous permet d'obtenir une valeur X correspondant à la quantité 15 de frottement à compenser tcomp. Dans une étape E5, on fait la différence entre la valeur X obtenue en étape E3, avec l'estimation déterminée de l'ensemble des forces s'opposant au mouvement représenté par l'encadré référencé RFE et dénommé estimateur de l'effort crémaillère ou « estimateur rack force ». Grâce à cette compensation, l'hystérésis de l'estimateur de force crémaillère va présenter une 20 hystérésis contrôlée et souhaitée ce qui impactera également l'hystérésis au niveau de la génération du couple cible. En étape E6, on prend en compte le couple conducteur cible et le couple conducteur mesuré pour le contrôle du couple en boucle fermée par le contrôleur CPU illustré en figure 2. En étape E6, l'action « prendre en compte » signifie « comparer et contrôler en boucle fermée ». 25 À titre d'exemple, la direction assistée électrique est à 400N de frottement et on souhaite un ressenti à 300N, l'estimateur de frottement FRI va identifier que la direction est à 400N, et l'entrée de valeur du frottement voulu sera de 300N. La différence est donc de 100N, l'estimation déterminée de l'ensemble des forces s'opposant au mouvement est de 400N et on en retranche 100N afin que le 30 frottement corresponde à la valeur désirée de 300N. En figure 5 est illustré un graphique représentant deux courbes illustrant le couple volant conducteur en Nm (ordonnées) en fonction de l'angle du volant en degrés (abscisse). La première courbe en trait continu illustre l'hystérésis entre le couple volant conducteur et l'angle du volant sans compensation de frottement. La 35 deuxième courbe en trait discontinu, illustre l'hystérésis avec une compensation de frottement grâce aux procédés de l'invention. Afin de réduire cette hystérésis comme 8 souhaité, la zone d'inversion vers les + ou - 15°, lorsque le mouvement du volant est inversé, a été réglée de manière continue et progressive, comme on peut le voir sur la deuxième courbe discontinue. En figure 4 est illustré un dispositif de direction comprenant une direction 5 assistée permettant de mettre en oeuvre le procédé d'estimation de l'invention ainsi que le procédé de compensation de l'invention. De façon connue en soi, et tel que cela est visible sur la figure 4, ledit dispositif de direction assistée 1 comprend un volant de conduite 3 qui permet à un conducteur de manoeuvrer ledit dispositif de direction assistée 1 en exerçant un effort, dit « couple volant » T3, sur ledit volant de 10 conduite 3. Ledit volant de conduite 3 est de préférence monté sur une colonne de direction 4, guidée en rotation sur le véhicule 2, et qui engrène, au moyen d'un pignon de direction 5, sur une crémaillère de direction 6, qui est elle-même guidée en translation dans un carter de direction 7 fixé audit véhicule 2. De préférence, les extrémités de ladite crémaillère de direction 6 sont 15 reliées chacune à une biellette de direction 8, 9 raccordée au porte-fusée d'une roue directrice 10, 11 (respectivement une roue gauche 10 et une roue droite 11), de telle sorte que le déplacement longitudinal en translation de la crémaillère 6 permet de modifier l'angle de braquage (angle de lacet) des roues directrices. Les roues directrices 10, 11 peuvent par ailleurs de préférence être également des roues 20 motrices. Le dispositif de direction assistée 1 comprend également un moteur 12 configuré pour assister la manoeuvre dudit dispositif de direction assistée 1. Le moteur 12 sera de préférence un moteur électrique, à double sens de fonctionnement, et préférentiellement un moteur électrique rotatif, de type sans balais ou "brushless". 25 Le dispositif de direction assistée 1 comprend en outre un capteur de couple volant 14 mis en place spécialement au sein du dispositif de direction assistée 1, par exemple sur la colonne de direction 4, afin de mesurer le couple volant T3, et ayant pour finalité principale, voire exclusive, de fournir une mesure du couple volant T3, quelle que soit par ailleurs la technologie de mesure employée par ledit capteur de 30 couple volant 14. De plus le dispositif de direction assistée 1 comprend un capteur de vitesse moteur 24 destiné à mesurer la vitesse de rotation du moteur 12. Enfin, le dispositif de direction assistée 1 comprend également une unité de calcul et commande 20 configurée pour mettre en oeuvre le procédé d'estimation et le procédé de compensation à partir des données de capteurs 14, 24. 35 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux figures annexées. Des modifications restent possibles, 9 notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation continue du taux intermédiaire de frottement notamment pour des vitesses de déplacement inférieures à un seuil déterminé, dans 5 une direction assistée électrique de véhicule, caractérisé en ce que ledit procédé d'estimation comprend les étapes suivantes : a) Mesure d'une première vitesse, ladite mesure étant réalisée par un capteur de vitesse configuré pour mesurer la vitesse du moteur électrique de la direction assistée électrique, 10 b) Détermination d'une deuxième vitesse à partir d'une mesure du couple volant/conducteur, ladite mesure de couple étant réalisée par un capteur de couple configuré pour mesurer le couple entre le volant et la crémaillère de la direction assistée électrique, c) Somme de la première vitesse et de la deuxième vitesse, la 15 somme étant dénommée vitesse volant, d) Application du modèle de LuGre à la somme déterminée en étape (c) utilisée en tant qu'entrée dudit modèle e) Obtention d'une estimation continue du taux intermédiaire de frottement (w). 20 2. Procédé d'estimation continue selon la revendication 1, dans lequel la détermination de la deuxième vitesse de l'étape (b) est réalisée selon les sous-étapes suivantes : (s1) mesure du coupe volant/conducteur un capteur de couple configuré 25 pour mesurer le couple entre le volant et la crémaillère de la direction assistée électrique, (s2) dérivation temporelle de la mesure de couple (s3) application de la dérivée obtenue en sous-étape s2 à une raideur déterminée k 30 (s4) obtention d'une deuxième vitesse dite vitesse de couple. 3. Procédé d'estimation continue selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel l'estimation continue d'un coefficient de frottement g du système peut être représentée par l'équation suivante : 35 a. 4,nainit tiv )2) 11 et dans lequel la détermination du taux intermédiaire de frottement w est réalisée selon l'équation suivante : w = où V correspond à la vitesse du véhicule, T correspond à la température de direction, a* correspond au coefficient de frottement dynamique du système mesuré sur banc d'essai, ai correspond au micro-amortissement, z correspond à l'état de frottement interne. 4. Procédé de compensation de frottement d'une direction assistée électrique, caractérisé en ce que le procédé de compensation prend en compte une 15 estimation continue du taux intermédiaire de frottement obtenue par le procédé d'estimation continue selon l'une quelconque des revendications 1 à 3. 5. Procédé de co-mpensation selon la revendication 4 comprenant au moins les étapes suivantes : 20 El - Mise en oeuvre du procédé d'estimation continue du taux intermédiaire de frottement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, obtention d'au moins une estimation continue du taux intermédiaire de frottement (w), et d'au moins une amplitude de frottement dynamique estimé, et modulation de l'estimation du frottement (FRI) par l'estimation continue du taux intermédiaire de 25 frottement (w), E2 - Obtention de l'amplitude d'un frottement déterminée correspondant à un frottement voulu z-FtaRrceetde la direction assistée électrique, E3 - Différence entre l'amplitude de frottement dynamique estimé et de l'amplitude du frottement dynamique voulu 30 E4 - Produit du résultat de la différence obtenue en étape E3 avec l'estimation continue du taux intermédiaire de frottement (w) afin d'obtenir une quantité de frottement à compenser (X), E5 - Différence entre la valeur X obtenue en étape E4, avec l'estimation déterminée de l'ensemble des forces s'opposant au mouvement (RFE) (pour 35 compenser RFE) 12 E6 - Compensation de la direction assistée par le contrôle du couple conducteur par un contrôleur (CPU) en fonction du couple conducteur cible et du couple conducteur mesuré. 5 6. Procédé de compensation selon la revendication 5, dans lequel l'étape E2 peut être obtenue par au moyen d'un abaque ou d'une base de données préétablie ou d'une entrée de donnée déterminée. 7. Procédé de compensation selon l'une quelconque des revendications 10 5 ou 6, dans lequel le contrôle du couple conducteur est réalisé en boucle fermée.