Brevet FR3095255A1 — publié le 20201023

Description Titre de l'invention : PROCEDE DE COMPENSATION DES FROTTEMENTS SECS DANS L'ASSERVISSEMENT DE POSITION D'UN ACTIONNEUR Domaine technique de l'invention 100011 La présente invention concerne un procédé et un dispositif de compensation des frottements secs dans l'asservissement de position d'un actionneur à volet du type vanne papillon motorisée. 100021 La présente invention trouve une application préférentielle mais non limitative pour un actionneur sous forme d'une vanne papillon positionnée dans une ligne d'admission d'air d'un moteur thermique, notamment dans un véhicule automobile. Art antérieur [0003] Les frottements secs présents dans les actionneurs à volet type vanne papillon motorisée détériorent considérablement les performances des asservissements de position de ces actionneurs. [0004] Les actionneurs à volet piloté par un moteur électrique à courant continu à aimant permanent sont très répandus et largement utilisés dans l'industrie et notamment le monde automobile. [0005] C'est grâce notamment à leur coût faible et à leur simplicité de pilotage. De tels ac- tionneurs à volet sont notamment utilisés dans le système d'air des moteurs à combustion interne, pour piloter les vannes de recirculation d'air de l'échappement vers la ligne d'admission d'air, les doseurs d'air, les papillons motorisés et plus récemment les turbocompresseurs à géométrie fixe pour les soupapes de décharge ou à géométrie variable. [0006] Afin de délivrer suffisamment de couple pour de telles applications, les actionneurs à volet sont. souvent munis de réducteurs sous forme de trains d'engrenages. Par ailleurs, pour les besoins de sûreté de fonctionnement, les actionneurs à volet sont également équipés d'un ressort de rappel capable de ramener l'actionneur dans une position dite sûre ou refuge en cas de défaillance du moteur courant continu. [0007] L'ajout de ces éléments mécaniques augmente considérablement les frottements secs et les zones mortes au sein de l'actionneur rendant son asservissement de position délicat et complexe. [0008] En effet, dans le cas idéal, la caractéristique statique d'un tel actionneur est re- présentée par une simple droite comme montré à la figure I pour un actionneur idéal avec une entrée E en abscisse et une sortie S en ordonnée. [0009] En réalité, la caractéristique statique n'est plus linéaire comme représentée en figure 2 2 à titre d'exemple pour un papillon motorisé. La caractéristique statique présente des zones mortes et des largeurs d'hystérésis qui peuvent être différentes selon la zone de fonctionnement. [0010] O référence l'angle angulaire d'une position de repos intermédiaire aussi connue sous la dénomination anglo-saxonne de « litnp-home ». Le rapport cyclique d'ouverture de commande RC0(%) est montré en abscisse en variant de -30 à 20% et la position normalisée Pos norm(%) est montrée en ordonnée en variant de 0 à 100%. [0011] Les frottements secs sont des forces naturelles qui s'exercent entre deux surfaces de pièces en contact et en mouvement. Ces frottements secs sont principalement dus aux irrégularités et à la rugosité de ces dernières. [0012] En se référant notamment à la figure 3, dans le cas des actionneurs à volet rotatifs, le couple de frottement peut être décomposé en deux parties : la première partie est le couple de frottement sec Ts qui représente le couple qu'il faut vaincre pour engendrer un mouvement relatif entre deux surfaces. La deuxième partie est le frottement dynamique compensé de deux composantes : un frottement de Coulomb Tc et un frottement visqueux Tv. [0013] Le frottement de Coulomb Tc représente la plus faible valeur de frottement lorsqu'un objet se déplace. Le frottement visqueux Tv, quant à lui, est fonction de la vitesse de déplacement. La transition entre le frottement sec et le frottement dynamique est appelée effet Stribcck. [0014] Les différentes représentations des frottements secs sont représentées à la figure 3 en trois courbes. Dans la courbe la plus à gauche, seuls les frottements secs Ts et de Coulomb Tc sont représentés. Dans la courbe médiane, les trois frottements secs Ts, de Coulomb Tc et visqueux Tv sont représentés. Dans la courbe de droite, les trois frottements secs Ts, de Coulomb Tc et visqueux Tv sont représentés avec l'effet Stribeck. [0015] D'un point de vue organique, une solution de réduction des frottements consiste à ajouter des lubrifiants, par exemple de l'huile ou de la graisse. On peut également améliorer l'état des surfaces des pièces. Ceci n'entre pas dans le cadre de la présente invention. [0016] D'un point de vue du contrôle commande, il existe plusieurs solutions de réduction de frottements. La plus connue consiste à superposer un signal vibratoire dit Knocker assimilable à un coup de cliquetis au signal de commande. [0017] Cette solution possède un inconvénient majeur lié à l'usure prématurée de l'actionneur car elle engendre des micro-actionnements pouvant endommager les pignons de l'engrenage de l'actionneur et augmenter les jeux mécaniques. [0018] D'autres solutions se basent sur des modèles d'estimation dynamique du frottement sec. Ces modèles sont utilisés ensuite pour élaborer des commandes afin de compenser 3 directement les frottements secs. Ces solutions sont souvent complexes à cause de la difficulté de réglage de ces modèles et ne sont pas l'objet de la présente invention. [0019] Par conséquent, le problème à la base de l'invention est, pour un actionneur du type vanne papillon motorisée, de concevoir un modèle statique permettant de réduire les frottements secs lors du fonctionnement de l'actionneur vers une position de repos intermédiaire. Résumé de l'invention [0020] A cet effet, la présente invention concerne un procédé de compensation des frottements secs dans un asservissement de position (l'un actionneur à volet piloté par un moteur électrique à courant continu, via un train d'engrenages, selon une consigne de commande de tension prédéterminée en ouverture ou en fermeture vers une position de repos intermédiaire à un angle d'ouverture de repos prédéterminé du volet, le volet étant bloqué du fait de frottements secs avant une atteinte de la position de repos intermédiaire aussi bien en ouverture qu'en fermeture, remarquable en ce qu'il est prédéterminé expérimentalement et spécifiquement pour l'actionneur un seuil de vitesse angulaire de fermeture ou d'ouverture du volet lors de l'arrêt avant atteinte de la position de repos intermédiaire du fait des frottements secs, une vitesse angulaire en vigueur du volet et un angle d'ouverture en vigueur du volet étant mesurés, et, quand la vitesse angulaire en vigueur est inférieure au seuil de vitesse prédéterminé, l'angle en vigueur ayant été comparé avec l'angle de repos prédéterminé pour déterminer si l'angle en vigueur est supérieur ou inférieur à l'angle de repos prédéterminé, il est ajouté à la consigne de commande de tension prédéterminée un terme correctif uf des frottements secs permettant au volet d'atteindre sa position de repos intermédiaire aussi bien en ouverture qu'en fermeture et calculé selon l'équation suivante : [0021] [Math.1[ R 1 1 = - kt Ti Tri + /77 Tf2) 100221 R étant une résistance électronique du moteur électrique à courant continu, Ke une constante de couple du moteur électrique à courant continu, Tfl un couple de frottement au-dessus de la position intermédiaire de repos. Tf2 un couple de frottement en dessous de la position intermédiaire de repos, N un rapport de réduction du train d'enerenages, p étant égal à 0 si l'angle en vigueur est supérieur à l'angle de repos prédéterminé et étant égal à 1 si l'angle en vigueur est inférieur à l'angle de repos prédéterminé, p étant égal à 1 si l'angle en vigueur est supérieur à l'angle de repos prédéterminé et étant égal à 0 si l'angle en vigueur est inférieur à l'angle de repos prédéterminé. 100231 La solution proposée est basée sur un modèle statique simple du frottement sec ac- compagnée d'une méthodologie de réglage. La solution a été validée avec succès pour un actionneur sous forme d'une vanne papillon motorisée. [0024] Avantageusement, les couples de frottement respectivement au-dessus Tsl et en dessous Ts2 de la position intermédiaire de repos sont chacun décomposés en un couple de frottement statique Tfl ou Tf2 et un couple de frottement dynamique Tel ou Te2 respectifs, le couple de frottement au-dessus Tfl ou en dessous Tf2 de la position intermédiaire de repos étant estimé égal au couple de frottement statique respectif Tsl ou Ts2 quand la vitesse angulaire en vigueur est inférieure au seuil de vitesse prédéterminé et au couple de frottement dynamique Toi ou Te2 respectif quand la vitesse angulaire en vigueur est supérieure au seuil de vitesse prédéterminé. [0025] Avantageusement, soit a un rapport entre des frottements dynamique Tel ou Tc2 et sec Tsl ou Ts2 respectifs, en remplaçant les frottements dynamiques Tel et Te2 par le produit du rapport a et du frottement sec Tsl et Ts2 respectif puis en remplaçant les couples de frottement au-dessus Tfl de la position intermédiaire de repos et en dessous Tf2 de la position intermédiaire de repos par les frottements secs respectivement au-dessus Tsl et en dessous Ts2 de la position intermédiaire de repos dans l'équation donnant le terme correctif uf des frottements secs permettant au volet d'atteindre sa position de repos intermédiaire aussi bien en ouverture qu'en fermeture, il est obtenu les deux équations suivantes : [0026] [Math.2] itf - (te 4 si w NK, 100271 I Ma(h.3 I 100281 et, en posant : 100291 I Math.4I RT'I 2 - Atte NK Us [0030] on obtient respectivement: [0031] [Math.51 - in./ REVENDICATIONSProcédé de compensation des frottements secs dans un asservissement de position d'un actionneur à volet (11) piloté par un moteur électrique (15) à courant continu, via un train d'engrenages, selon une consigne de commande (u) de tension prédéterminée en ouverture ou en fermeture vers une position de repos intermédiaire à un angle d'ouverture de repos (00) prédéterminé du volet (1 1 ), le volet (1 1 ) étant bloqué du fait de frottements secs avant une atteinte de la position de repos intermédiaire aussi bien en ouverture qu'en fermeture, caractérisé en cc qu'il est prédéterminé expérimentalement et spécifiquement pour l'actionneur un seuil de vitesse angulaire (cos) de fermeture ou d'ouverture du volet (11) lors de l'arrêt avant atteinte de la position de repos intermédiaire du fait des frottements secs, une vitesse angulaire (w) en vigueur du volet (11) et un angle d'ouverture (0) en vigueur du volet (11) étant mesurés, et, quand la vitesse angulaire en vigueur (w) est inférieure au seuil de vitesse (ois) prédéterminé, l'angle en vigueur (0) ayant été comparé avec l'angle de repos (00) prédéterminé pour déterminer si l'angle en vigueur (0) est supérieur ou inférieur à l'angle de repos (00) prédéterminé, il est ajouté à la consigne de commande (u) de tension prédéterminée un terme correctif uf des frottements secs permettant au volet (11) d'atteindre sa position de repos intermédiaire aussi bien en ouverture qu'en fermeture et calculé selon l'équation suivante : [Revendication 21 R étant une résistance électronique du moteur électrique (15) à courant continu. Ke une constante de couple du moteur électrique (15) à courant continu. Tfl un couple de frottement au-dessus de la position intermédiaire de repos, Tf2 un couple de frottement en dessous de la position intermédiaire de repos, N un rapport de réduction du train d'engrenages, p étant égal à 0 si l'angle en vigueur (0) est supérieur à l'angle de repos (00) prédéterminé et étant égal à 1 si l'angle en vigueur (H) est inférieur à l'angle de repos (00) prédéterminé, p étant égal à 1 si l'angle en vigueur (0) est supérieur à l'angle de repos (00) prédéterminé et étant égal à 0 si l'angle en vigueur (D) est inférieur à l'angle de repos (00) prédéterminé. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel les couples de 15 [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] frottement respectivement au-dessus Tfl et en dessous Tf2 de la position intermédiaire de repos sont chacun décomposés en un couple de frottement statique Tsl ou Ts2 et un couple dc frottement dynamique Tel ou Tc2 respectifs, le couple de frottement au-dessus Tfl ou en dessous Tf2 de la position intermédiaire de repos étant estimé égal au couple de frottement statique respectif Tsl ou Ts2 quand la vitesse angulaire en vigueur (m) est inférieure au seuil de vitesse (ms) prédéterminé et au couple de frottement dynamique Tel ou Tc2 respectif quand la vitesse angulaire en vigueur (m) est supérieure au seuil de vitesse (ms) prédéterminé. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel, soit a un rapport entre des frottements dynamiques Tel ou Tc2 et statiques Tsl ou Ts2 respectifs, en remplaçant les frottements dynamiques Tel et Tc2 par le produit du rapport a et du frottement statique Tsl et Ts2 respectif puis en remplaçant les couples de frottement au-dessus Tfl de la position intermédiaire de repos et en dessous Tf2 de la position intermédiaire de repos par les frottements statiques respectivement au-dessus Tsl et en dessous Ts2 de la position intermédiaire de repos dans l'équation donnant le terme correctif uf des frottements secs permettant au volet (11) d'atteindre sa position de repos intermédiaire aussi bien en ouverture qu'en fermeture, il est obtenu les deux équations suivantes : et, en posant : 11 on obtient respectivement: les paramètres Usl et Us2 étant. identifiés par des caractéristiques statiques de l'actionneur. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le rapport a entre des frottements dynamiques et statiques respectifs est fixé en étant prédéterminé selon un type d'actionneur. Procédé selon l'une quelconque des deux revendications précédentes, 16 [Revendication 6] dans lequel les paramètres Usl et Us2 sont déterminés en appliquant des rampes de commande de tension montante et descendante avec une pente de pourcentage suffisant pour atteindre les butées physiques du volet (11) à l'ouverture et à la fermeture et en relevant un pourcentage normalisé d'ouverture du volet (11), un plateau présentant une ouverture constante en variant de moins de 5% étant obtenu pour la position de repos intermédiaire. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel, soit Ool'angle d'ouverture de la position de repos intermédiaire, ua et u5 deux points de tension de commande pour respectivement une rampe ascendante et une rampe descendante correspondant à une même valeur d'angle d'ouverture 0,, ou Ob du volet (11) supérieure à l'angle d'ouverture 00 de la position de repos intermédiaire, les valeurs respectives de ua et ub sont données par les équations suivantes : [Revendication 7] K, le volet (11) étant rappelé dans une position de fermeture par un ressort (191) présentant une raideur Kri et une précontrainte Cri, la différence des deux points de tension de commande donnant : d'où : Us - - Procédé selon l'une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel, soit Oo l'angle d'ouverture de la position de repos intermédiaire, u, et ud deux points de tension de commande pour respectivement une rampe ascendante et une rampe descendante correspondant à une même valeur d'angle d'ouverture 0,ou Od du volet (11) inférieure à l'angle d'ouverture Onde la position de repos intermédiaire, les valeurs respectives de u, et ud sont données par les équations suivantes : Krio, de) ± L1+ ric) le volet (11) étant rappelé dans une position de fermeture par un ressort 17 [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] (191) présentant une raideur KI, et une précontrainte Cri, la différence des deux points de tension de commande donnant : d'où : Ensemble d'un actionneur à volet (11) entraîné par un moteur électrique (15) à courant continu via un train d'engrenages et d'une unité électronique de contrôle de l'actionneur fixant une consigne de commande (u) de tension pour le moteur de l'actionneur, l'ensemble mettant en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité comprend des moyens de calcul d'un terme correctif (ut) des frottements secs dans l'actionneur permettant au volet (11) d'atteindre sa position de repos intermédiaire aussi bien en ouverture qu'en fermeture. Ensemble selon la revendication précédente, dans lequel l'actionneur est une vanne papillon motorisée. Véhicule automobile comprenant au moins un moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un ensemble selon l'une quelconque des deux revendications précédentes pour au moins un actionneur, ledit au moins un actionneur étant une vanne papillon dans une ligne d'admission d'air dudit au moins un moteur thermique, une vanne de recirculation de gaz d'échappement dans la ligne d'admission d'air ou une vanne d'un turbocompresseur associé audit au moins un moteur thermique.