Brevet FR3077844A1 — publié le 20190816

PROCEDE DE CONTROLE D'UN ACTIONNEUR ELECTROMAGNETIQUE DE SOUPAPE DE MOTEUR THERMIQUE [0001] La présente invention porte sur un procédé de contrôle d'un actionneur électromagnétique de soupape de moteur thermique. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour les moteurs thermiques de véhicules automobiles. [0002] Les systèmes de distribution de type mécanique comportent des arbres à cames qui appuient sur les soupapes. Les profils de levée des soupapes sont ainsi liés à la géométrie des cames. [0003] Le remplacement de ce système mécanique par des actionneurs pilotés électroniquement permet de suivre des profils variables plus complexes et de maîtriser le bruit d'accostage des soupapes sur leur siège. Toutefois, ces systèmes nécessitent de connaître la position de l'actionneur afin de pouvoir le contrôler. La solution en mode de fonctionnement nominal est de disposer d'une mesure fournie par un capteur. Cependant, en cas de panne de ce capteur, la fonction de pilotage de la soupape n'est plus assurée ce qui engendre une détérioration irréversible du moteur thermique. [0004] L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un procédé de contrôle d'un actionneur électromagnétique d'une soupape de moteur thermique, caractérisé en ce que, en cas de défaillance d'un capteur de position de la soupape, le procédé comporte: - une étape d'estimation d'une position de la soupape au moyen d'un modèle de l'actionneur fournissant une valeur approchée de la position de la soupape, - une étape de régulation d'une position de la soupape par génération d'un signal de commande en fonction d'une comparaison entre la position estimée de la soupape et une position de consigne de la soupape, et - une étape d'application à l'actionneur du signal de commande précédemment généré lors de la régulation. [0005] L'invention permet ainsi, grâce à l'utilisation d'un modèle d'actionneur qui pourra être embarqué dans le calculateur moteur, d'obtenir une estimation de la position de la soupape pour assurer la commande des actionneurs de soupapes malgré la défaillance du capteur de mesure de position. L'invention pourra également être utilisée en combinaison 2 avec le capteur de position de la soupape afin de détecter une éventuelle dérive de ce capteur. [0006] Selon une mise en oeuvre, le modèle de l'actionneur est un modèle non linéaire. [0007] Selon une mise en oeuvre, le modèle intègre une modélisation d'une partie 5 électrique de l'actionneur, une modélisation d'une partie électromécanique de l'actionneur pour modéliser une relation entre la partie électrique et une partie mécanique de l'actionneur, et une modélisation de la partie mécanique de l'actionneur. [0008] Selon une mise en oeuvre, la modélisation de la partie électromécanique (P EM) est basée sur la détermination d'un polynôme modélisant un effet électro-magnétique 10 générant un effort produit par l'actionneur. [0009] Selon une mise en oeuvre, la modélisation de la partie mécanique est basée sur un bilan de forces ayant une influence sur le mouvement de la soupape. [0010] Selon une mise en oeuvre, le modèle de l'actionneur est un observateur de Luenberger. 15 [0011] Selon une mise en oeuvre, l'observateur de Luenberger utilise une information fournie par un capteur de courant de l'actionneur. [0012] Selon une mise en oeuvre, pour calculer un gain de l'observateur de Luenberger, le procédé comporte une étape de linéarisation d'un modèle de l'actionneur autour de différents points de fonctionnement. 20 [0013] Selon une mise en oeuvre, les différents points de fonctionnement autour desquels le modèle est linéarisé correspondent respectivement à une soupape fermée, une soupape à mi-levée en ouverture, une soupape complétement ouverte, une soupape à mi-levée en fermeture, et une soupape en situation d'accostage sur son siège. [0014] Selon une mise en oeuvre, l'estimation de la position de la soupape est basée sur 25 l'observateur de Luenberger dans le cas où une mesure fournie par un capteur de courant est disponible, ou sur le modèle non linéaire de l'actionneur dans le cas où aucune mesure n'est disponible. 3 [0015] L'invention a également pour objet un calculateur moteur comportant une mémoire stockant des instructions logicielles pour la mise en oeuvre du procédé de contrôle d'un actionneur tel que précédemment défini. [0016] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen 5 des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'a titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0017] La figure 1 est une vue en perspective d'un actionneur électromagnétique de soupape de moteur thermique mettant en oeuvre le procédé selon la présente invention; [0018] La figure 2 est un schéma synoptique du module de commande de l'actionneur 10 dans lequel l'estimation de la position de la soupape est effectuée à partir du modèle non linéaire de l'actionneur; [0019] La figure 3 est un schéma synoptique de la loi de commande par pré-compensation et régulation mis en oeuvre dans le schéma de la figure 2; [0020] La figure 4 est une représentation schématique du modèle non linéaire de 15 l'actionneur mis en oeuvre dans le schéma de la figure 2; [0021] La figure 5 est une représentation schématique de la partie électrique de l'actionneur mise en oeuvre dans le modèle de la figure 4; [0022] La figure 6 est une représentation schématique d'une partie électromécanique de l'actionneur mise en oeuvre dans le modèle de la figure 4; 20 [0023] La figure 7 est une représentation schématique d'une partie mécanique de l'actionneur mise en oeuvre dans le modèle de la figure 4; [0024] La figure 8 est une représentation graphique illustrant un suivi de consigne obtenu grâce à la position estimée à l'aide du modèle non linéaire de l'actionneur pour un régime moteur de 4000 tours/min; 25 [0025] La figure 9 est une représentation graphique illustrant un signal de commande pour un régime moteur de 4000 tours/min; 4 [0026] La figure 10 est une représentation graphique illustrant un suivi de consigne obtenu grâce à la position estimée à l'aide du modèle non linéaire de l'actionneur pour un régime moteur de 6000 tours/min; [0027] La figure 11 est une représentation graphique illustrant un signal de commande 5 pour un régime moteur de 6000 tours/min; [0028] La figure 12 est un schéma synoptique du module de commande de l'actionneur dans lequel l'estimation de la position de la soupape est effectuée par un observateur de Luenberger; [0029] La figure 13 est une représentation schématique des modules permettant 10 l'estimation de la position de la soupape par un observateur; [0030] La figure 14 est une représentation graphique illustrant cinq points de fonctionnement de la soupape pour la linéarisation du modèle de l'actionneur; [0031] La figure 15 est une représentation graphique illustrant un suivi de consigne obtenu grâce à la position estimée de la soupape à l'aide de l'observateur de Luenberger pour un 15 régime moteur de 3000 tours/min; [0032] La figure 16 est une représentation graphique illustrant un signal de commande pour un régime moteur de 3000 tours/min; [0033] La figure 17 est une représentation graphique illustrant un suivi de consigne obtenu grâce à la position estimée de la soupape à l'aide de l'observateur de Luenberger pour un 20 régime moteur de 6000 tours/min; [0034] La figure 18 est une représentation graphique illustrant un signal de commande pour un régime moteur de 6000 tours/min. [0035] La figure 1 montre un actionneur 9 comportant une partie fixe 10 de circuit magnétique ayant des aimants permanents. Des ensembles mobiles 11 et 12 sont 25 constitués par des soupapes 14, des carcasses creuses en composite 16 et 17 qui portent des bobinages 20, 21 et 22, 23. Dans ce type de conception d'actionneur 9, les bobines sont montées sur des ensembles mobiles 11, 12 de faibles masses, par exemple de l'ordre de 30g par ensemble mobile 11 ou 12. Cet actionneur 9 ne possède pas de ressort mécanique ayant une fonction de stockage d'énergie cinétique. Il n'est donc pas nécessaire 30 de contrôler les mouvements pour gérer la compression d'éléments mécaniques. On pourra 5 se référer aux documents PCT/FR2015/052441 et PCT/FR2015/052440 pour plus de détails sur la configuration de l'actionneur 9. [0036] L'invention consiste à estimer la position de la soupape 14 dans le cas d'un mode dégradé total dans lequel on rencontre une défaillance du capteur de position et de courant 5 de l'actionneur 9. Le développement d'une telle stratégie nécessite d'établir un modèle le plus fiable possible de l'actionneur 9 représentant son comportement dynamique et permettant ainsi d'estimer la position de la soupape 14. [0037] La figure 2 décrit le schéma synoptique de l'estimation de la position de la soupape 14 comprenant trois blocs fonctionnels principaux: 10 - un bloc de lancement B trig; - un bloc de pré-compensation et de régulation P comp reg; - un modèle non linéaire de l'actionneur Mod nl ac. [0038] Ces blocs fonctionnels pourront prendre la forme d'instructions logicielles stockées dans une mémoire d'un calculateur moteur de véhicule automobile. 15 [0039] Plus précisément, le bloc B trig comporte deux parties : une partie dite de lancement qui sert à synchroniser (déclencher) la régulation exactement au début de chaque train de levée. Le bloc B trig comporte une seconde partie permettant de calculer le temps local ainsi que le temps écoulé à partir du début de chaque levée. Ce temps calculé sera par la suite utilisé dans le bloc de pré-compensation et de régulation P comp reg pour 20 maintenir la soupape en position fermée à la fin de chaque levée. Le bloc B trig fournit au bloc de pré-compensation et de régulation P comp reg une valeur de synchronisation Trig r ainsi qu'une valeur de consigne Pos cons. [0040] Par ailleurs, comme on peut le voir sur la figure 3, le bloc de pré-compensation et de régulation P comp reg permet de générer un signal de commande Uac en fonction d'une 25 comparaison effectuée au moyen du comparateur Comp1 entre la position réelle de la soupape Pos est ou Pos mes et une position de consigne Pos cons de la soupape 14. La position de la soupape réelle pourra être la position mesurée Pos mes ou la position estimée Pos est comme cela est le cas dans l'invention. La sélection de la position en entrée du bloc P comp reg est effectuée au moyen du commutateur SW1 montré sur la 30 figure 1. La position de consigne Pos cons pourra être filtrée au moyen du filtre Fcons1. Le signal de commande Uac est destiné à être appliqué sur l'actionneur 9. 6 [0041] Afin d'assurer le suivi robuste de la consigne de position Pos cons vis-à-vis des variations paramétriques (masse, longueur du bobinage, résistance et inductance...), une architecture de contrôle commande est mise en oeuvre. Cette architecture est constituée d'un correcteur Corr CR3 synthétisé avec la méthodologie CRONE de troisième génération 5 permettant une loi de commande par retour de position. [0042] En outre, une commande complémentaire par pré-compensation ("feedforward" en terminologie anglaise) non linéaire F F n1 est basée sur l'inversion du modèle dynamique de l'actionneur 9 pour le rejet de l'effet de la pression interne dans le cylindre et pour améliorer le suivi de consigne pour des régimes moteurs élevés pouvant atteindre 6000 10 tours/min. Le bloc F F n1 reçoit une sortie générée par le bloc NL2 générée à partir d'une position de la soupape Pos mes, Pos est, d'une vitesse de la soupape V est, et du signal Trig r. Un sommateur Som1 combine la sortie du correcteur Corr CR3 et la sortie du bloc F F ni. [0043] De plus, une stratégie Str plaq soup de placage de la soupape 14 permet de 15 s'assurer du maintien en position fermée de la soupape 14, notamment en fin de cycle d'admission. Cette stratégie Str_plaq soup consiste à appliquer un signal de commande Uac constant et non nul en dehors des phases d'ouvertures de la soupape 14. Dans les autres phases de fonctionnement, le signal de commande Uac reste celui du suivi de consigne Pos cons. 20 [0044] Les blocs fonctionnels Safi et Rec pourront respectivement saturer la valeur du signal de commande Uac à une valeur à ne pas dépasser et recaler la valeur du signal de commande Uac. [0045] Comme cela est illustré par la figure 4, le bloc Mod n1 ac contient le modèle non linéaire de l'actionneur 9. Le bloc Mod n1 ac est composé de trois parties interconnectées, 25 à savoir une partie de modélisation électrique P elec, une partie de modélisation électromécanique P EM, et une partie de modélisation mécanique P meca. [0046] Comme cela est représenté sur la figure 5, la partie électrique P elec permet la modélisation du circuit électrique de l'actionneur 9. A partir de la tension aux bornes de l'actionneur Uac et de la force électromotrice de l'actionneur Uv, il est possible de déterminer 30 le courant I traversant l'actionneur 9. A cette fin, la tension aux bornes de l'actionneur Uac et la force électromotrice de l'actionneur Uv ainsi que le produit du courant I et de la résistance interne Rint sont appliqués en entrée d'un module Ml. La sortie de ce module 7 M1 est multipliée par un gain K puis intégré au moyen du module Int pour en déduire le courant circulant dans l'actionneur 9. [0047] Comme cela est représenté sur la figure 6, la partie électromécanique P EM modélise la liaison entre la partie électrique P elec et la partie mécanique P meca de 5 l'actionneur 9. Ces deux parties P elec, P meca sont liées par un polynôme de degré 5 modélisant, via le bloc BI1, l'effet électromagnétique générant l'effort produit Fact par l'actionneur 9. Le bloc BI2 permet de déterminer la force électromotrice Uv de l'actionneur 9 à partir de la position estimée Pos est de la soupape 14 et de la vitesse estimée V est issues de la partie mécanique P meca. 10 [0048] Comme cela est représenté sur la figure 7, la partie P meca assure une modélisation simplifiée de la partie mécanique de l'actionneur 9. La seconde loi de Newton permet d'effectuer le bilan des forces ayant une influence sur le mouvement de la soupape 14, soit: Fact(t) Ffrot(t) - Fyisq(t)-Fpres(t) P = m `12z(t) (1) dt2 15 Avec: m étant la masse totale de la partie mobile de l'actionneur; P étant son poids; Z(t) étant la position de la soupape; F't(t) étant l'effort généré par l'actionneur; 20 Ff,t(t) étant la force de frottement au niveau du guide de la soupape; Fpres(t) étant l'effort exercé par la différence de pression entre les gaz dans le cylindre et les gaz à l'échappement ou à l'admission. [0049] La position estimée Pos est ainsi que la vitesse estimée V est de la soupape 14 peut être déduite de la résolution/simulation de l'équation (1). 25 [0050] A cet effet, le module M2 permet de combiner les forces ci-dessus pour obtenir une force totale Ftot pondérée par un grain appliqué par le module M3. Un module dédié M4 ainsi que les modules intégrateurs M5, M6 et, le cas échéant, un module de saturation M7 permettent de déterminer la position estimée Pos est de la soupape 14. Le module dérivateur M8 permet de dériver la position en fonction du temps pour en déduire la vitesse 30 V est. Le module de gain M9 ainsi que le module fonctionnel M10 permettent de déterminer les forces de frottement Ffrot, et de viscosité Foisq à partir de la vitesse estimée V est. 8 [0051] La position ainsi estimée P est est injectée ensuite dans le bloc de pré-compensation et de régulation P comp reg afin de corriger la position de la soupape 14. [0052] Les figures 8 et 9 mettent en évidence que le modèle Mod nl ac d'estimation de la position Pos est est très performant, dans la mesure où l'écart avec la position de 5 consigne Pos cons est très faible, inférieur à 5%. Ces figures représentent les résultats obtenus sur banc d'essais de la régulation de la soupape 14 en utilisant uniquement l'information fournie par le modèle de l'actionneur (sans mesure directe de la position) pour un régime moteur de 4000 tours/min. Les résultats pour un régime moteur de 6000 tours/min sont présentés sur les figures10 et 11. 10 [0053] En variante, comme cela est illustré par la figure 12, la position Pos est de la soupape 14 pourra être estimée en utilisant un observateur de Luenberger Obs Lu. [0054] Cette stratégie consiste à utiliser l'information de courant Mes _l fournie par le capteur de courant afin d'estimer la position de la soupape 14 en utilisant un observateur de Luenberger Obs Lu. Comme on peut le voir sur la figure 13, cette stratégie met en oeuvre 15 un module M11 représentatif de l'actionneur 9, un capteur de courant Capt I, un comparateur M12, ainsi que l'observateur Obs Lu en tant que tel. [0055] On réalise au préalable la linéarisation du modèle de l'actionneur 9 autour de différents points de fonctionnement afin de calculer le gain de l'observateur Obs Lu. Pour ce faire, cinq points de fonctionnement, représentés sur la figure 14, et correspondant à cinq 20 positions de la soupape 14 ont été choisis, à savoir: - Zf = 0 mm lorsque la soupape est fermée; - = 3,7 mm lorsque la soupape est à mi-levée en ouverture; - 4 = 7,5 mm lorsque la soupape est complètement ouverte; - 4 = 3,7 mm lorsque la soupape est à mi-levée en fermeture; 25 - = 0,5 mm lorsque la soupape est en situation d'accostage sur son siège. [0056] Le modèle linéaire de l'actionneur 9 autour d'un point de fonctionnement est ainsi donné par la représentation d'état suivante : 9 - [±(0 - Rint -Y Lbob (2) 0 0 1 0 +Lbob o u'(t) [fpres(t)] (3) 1 111- z(01 z(t) = [0 1 0] [i(t) i(t) Rint étant la résistance interne de l'actionneur; Lbob étant l'inductance des bobines de l'actionneur; 5 À étant le coefficient de linéarisation de la force de frottement de l'actionneur; m étant la masse de l'actionneur; Lcou étant la longueur du bobinage. dans laquelle les coefficients fi , y et A sont des termes de linéarisation dont les expressions 10 respectives sont: (2 b2 Ze bi)Lcoil ( b2( Ze)2 biZe bo)Lcoil Y = Lbob et 15 A= Fvisq + Ffrot (5 - 5 * tanh(5 * e)2) [0057] La forme de l'observateur est la suivante : = Lbob (4) (5) (6) 10 = o o 1 Lbob o Rint À, -Y A m m 0 0 - + l'bob 0 1 o 1 m- (7) (h 1 ki [fupraec :i;11+[kk21 (y(t) - .9(t)) (8) rÎ(t) I î(t) t) [2(01 9(t) = [o 1 o] î(t) s(t) /cl, k2, k3 constituent le gain de l'observateur Obs Lu choisi de manière à assurer la stabilité de l'observateur Obs Lu (erreur sur l'état convergeant exponentiellement vers 0) et ce quel que soit le point de fonctionnement considéré. Pour cela, il suffit que les valeurs des 5 différents gains soient choisies de telle sorte à garantir que la matrice (A - KC) ait toutes ses valeurs propres à parties réelles négatives et une dynamique plus rapide que la dynamique du système. [0058] L'estimation 2(t) de la position de la soupape z(t) est réalisée en recopiant le premier modèle incorporé à l'observateur Obs Lu. A la différence de la stratégie 10 précédente, l'observateur Obs Lu corrige l'évolution de l'estimation de la position grâce à l'écart constaté entre la mesure du courant réel i(t) et son estimation î(t). [0059] Les figures 15 et 16, représentent respectivement l'évolution de la position Pos est de la soupape 14 en utilisant un observateur Obs Lu ainsi que le signal de commande Uac pour un régime moteur de 3000 tours/min. 15 [0060] Les figures 17 et 18 représentent les résultats obtenus sur banc d'essai pour un régime moteur de 6000 tours/min. [0061] II est à noter que l'estimation de la position de la soupape 14 est basée sur l'observateur de Luenberger Obs Lu dans le cas où une mesure fournie par un capteur de courant est disponible, ou sur le modèle non linéaire Mod n1 ac de l'actionneur 9 dans le 20 cas où aucune mesure n'est REVENDICATIONS1. Procédé de contrôle d'un actionneur électromagnétique (9) d'une soupape (14) de moteur thermique, caractérisé en ce que, en cas de défaillance d'un capteur de position de la soupape (14), ledit procédé comporte: - une étape d'estimation d'une position (Pos est) de la soupape (14) au moyen d'un modèle de l'actionneur (9) fournissant une valeur approchée de la position (Pos est) de ladite soupape (14), - une étape de régulation d'une position de la soupape (14) par génération d'un signal de commande (Uac) en fonction d'une comparaison entre la position estimée (Pos est) de la soupape (14) et une position de consigne (Pos cons) de la soupape (14), et - une étape d'application à l'actionneur (9) du signal de commande (Uac) précédemment généré lors de la régulation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle de l'actionneur (9) est un modèle non linéaire (Mod nl ac). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le modèle intègre une modélisation d'une partie électrique (P elec) de l'actionneur (9), une modélisation d'une partie électromécanique (P EM) de l'actionneur (9) pour modéliser une relation entre la partie électrique (P elec) et une partie mécanique (P meca) de l'actionneur (9), et une modélisation de la partie mécanique (P meca) de l'actionneur (9). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la modélisation de la partie électromécanique (P EM) est basée sur la détermination d'un polynôme modélisant un effet électro-magnétique générant un effort produit par l'actionneur (9). 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la modélisation de la partie mécanique (P meca) est basée sur un bilan de forces ayant une influence sur le mouvement de la soupape (14). 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle de l'actionneur (9) est un observateur de Luenberger (Obs Lu). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'observateur de Luenberger (Obs Lu) utilise une information fournie par un capteur de courant (Capt I) de l'actionneur (9). 12 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que pour calculer un gain de l'observateur de Luenberger (Obs Lu), ledit procédé comporte une étape de linéarisation d'un modèle de l'actionneur (9) autour de différents points de fonctionnement. 5 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les différents points de fonctionnement autour desquels le modèle est linéarisé correspondent respectivement à une soupape fermée (Zr), une soupape à mi-levée en ouverture (Z), une soupape complétement ouverte (Z), une soupape à mi-levée en fermeture (4), et une soupape en situation d'accostage sur son siège (Z). 10 10. Procédé selon les revendications 2 et 6, caractérisé en ce que l'estimation de la position de la soupape (14) est basée sur l'observateur de Luenberger (Obs Lu) dans le cas où une mesure fournie par un capteur de courant est disponible, ou sur le modèle non linéaire (Mod ni ac) de l'actionneur (9) dans le cas où aucune mesure n'est disponible. 15