FR3102841A1 - Système de mesure du couple et de l’angle volant absolu multi tours pour direction de véhicule à l’aide de deux capteurs de position angulaire - Google Patents
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Abstract
Système de mesure du couple et de l’angle volant absolu multi tours pour direction de véhicule à l’aide de deux capteurs de position angulaire L’invention concerne un système de détection pour une direction (2) d’un véhicule comportant :- un premier capteur de position angulaire (11) mesurant l’angle du moteur électrique (3) et délivrant un premier signal - un deuxième capteur de position angulaire (12) mesurant l’angle de la direction du côté de la barre de torsion qui est le côté opposé à celui où se trouve le réducteur (4), et délivrant un deuxième signal - et une unité de traitement (15) effectuant une somme pondérée angulaire du premier signal et du deuxième signal pour produire un premier signal calculé ( ) proportionnel à l’angle volant absolu sur plus d’un tour mécanique ( ) et pour produire un deuxième signal calculé ( ) proportionnel au couple (T). Figure pour l’abrégé : Fig. 1.
Description
La présente invention concerne le domaine technique des systèmes de détection pour mesurer le couple et l’angle volant absolu multi tours d’une direction d’un véhicule au sens général.
Une application préférée de l’invention vise les systèmes de détection pour mesurer le couple et l’angle volant absolu multi tours d’une direction assistée électrique d’un véhicule.
Une autre application de l’invention vise les systèmes de détection pour mesurer le couple et l’angle volant absolu multi tours d’une direction d’un véhicule pour laquelle le volant est déconnecté mécaniquement des roues.
Classiquement, une direction assistée électrique comporte un moteur électrique muni d’un réducteur appliquant un couple d’assistance à la direction du véhicule, à savoir la colonne de direction ou la crémaillère de direction.
Le fonctionnement d’une direction assistée électrique nécessite la connaissance de l’intensité du couple appliqué à la direction. Cette mesure du couple est désormais réalisée le plus souvent via la mesure de la déformation angulaire d’une barre de torsion de rigidité connue. La difficulté d’une telle mesure réside dans le fait que la variation de la déformation angulaire est très petite devant la variation de l’angle moyen de la direction, ce qui peut potentiellement poser des problématiques de ratio signal sur bruit pour le système de mesure. Il existe dans l’état de l’art diverses méthodes pour contourner cette difficulté.
La connaissance de l’angle volant (ou de braquage) peut aussi aider au contrôle commande de la direction. Par ailleurs, l’information angle volant est aussi requise pour le fonctionnement d’autres fonctions du véhicule comme par exemple le correcteur électronique de trajectoire, ou bien pour les nouvelles fonctions d’aide à la conduite automobile. En général, le volant d'un véhicule peut effectuer une rotation d'environ trois tours d'une extrémité gauche à une extrémité droite. La mesure de cet angle est par nature difficile car les capteurs de position angulaire standards sont au mieux absolu sur un seul tour mécanique. Pour contourner cette difficulté, la mesure de cet angle volant est en général réalisée grâce à l’ajout d’engrenages ou bien grâce à une phase d’apprentissage après chaque démarrage et/ou perte d’alimentation.
Le brevet FR 2 872 896 de la société MMT décrit un capteur de couple utilisant la déformation angulaire d’une barre de torsion de rigidité connue. Ce capteur de déformation angulaire différentiel comporte plusieurs concentrateurs magnétiques, une cible aimantée et une sonde de détection à effet Hall. Ce capteur présente une conception complexe et mesure uniquement l’angle entre l’arbre d’entrée et l’arbre de sortie. Il ne donne aucune information sur l’angle des arbres d’entrée et de sortie par rapport au châssis du véhicule.
Le brevet EP 1 081 454 de la société Hella décrit un capteur de couple utilisant la déformation angulaire d’une barre de torsion de rigidité connue. Ce capteur de couple comporte deux capteurs de position angulaire placés de chaque côté de la barre de torsion. Une unité de traitement calcule la différence des deux signaux issus des deux capteurs pour remonter à la déformation angulaire et ensuite au couple appliqué à la direction. Ce brevet décrit un dispositif onéreux car il met en œuvre deux capteurs de position angulaire disposés de chaque côté de la barre de torsion.
Le brevet US 5 930 905 de la société Bosch décrit un capteur d’angle volant absolu multi-tours. Ce capteur comporte deux jeux d’engrenage en liaison avec le volant et entrainant deux arbres annexes. Chaque arbre annexe possède son propre capteur de position angulaire. Grâce à un algorithme Vernier à une variable indépendante appliqué aux signaux issus des deux capteurs, le système parvient à calculer l’angle volant de manière absolue sur plus d’un tour mécanique. Les deux jeux d’engrenages rendent ce dispositif coûteux.
Le brevet FR 2 964 190 de la société MMT propose un dispositif de détection magnétique d’angle volant absolu multi-tours mettant en œuvre notamment des aimants et des sondes magnéto sensibles. Ce dispositif de détection requiert également un système d’engrenage, ce qui conduit à un dispositif de détection coûteux.
La demande de brevet EP 3 090 921 de la société NSK décrit également un appareil de détection de l’angle de braquage d’un véhicule comprenant une section de calcul de Vernier qui effectue un calcul de Vernier sur la base d’un angle de l’arbre de direction et d’un angle de l’arbre du moteur électrique d’assistance. Cet appareil met en œuvre également une section de détermination d’une période neutre comprenant un point neutre basé sur un angle de référence calculé par le calcul de Vernier et une section de spécification de point neutre qui spécifie ledit point neutre à partir de ladite période neutre et une valeur de point neutre stockée. Cet appareil permet la détermination de l’angle de braquage multi tours uniquement après une étape d’apprentissage de sorte que cet appareil ne permet pas de connaître l’angle de braquage dès son démarrage.
La demande de brevet DE 10 2009 039 764 de la société BMW décrit un système de détection pour mesurer le couple et l’angle volant absolu multi tours d’une direction d’un véhicule pour laquelle le volant est déconnecté mécaniquement des roues. Une telle direction connue sous la dénomination « steer by wire » comporte une connexion électrique ou hydraulique entre le volant et les roues. Un moteur électrique muni d’un réducteur fourni un couple résistant à la direction. Ce document propose de mesurer l’angle volant à partir du capteur de position angulaire mesurant l’angle du moteur électrique mais également d’une sonde à effet Hall additionnelle détectant le flux magnétique de fuite de la cible aimantée du capteur de couple (de type MMT) et située du côté réducteur de la barre de torsion. Le recours à un capteur de couple classique conduit à un système de détection coûteux et la robustesse d’un capteur de position angulaire mesurant un flux magnétique de fuite reste à démontrer.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients de l’art antérieur en proposant un nouveau système de détection pour direction d’un véhicule, permettant la mesure du couple mais également de l’angle volant absolu sur plus d’un tour mécanique, sans avoir besoin d’ajouter des engrenages supplémentaires et sans la nécessité de mettre en œuvre une phase d’apprentissage après chaque démarrage et/ou perte d’alimentation. Ce nouveau système de détection repose sur un traitement du signal spécifique et sur l’utilisation de capteurs de position angulaires plus simples et moins onéreux que l’art antérieur.
Pour atteindre de tels objectifs, l’objet de l’invention concerne un nouveau système de détection pour une direction d’un véhicule permettant la mesure du couple et de l’angle volant absolu, cette direction comportant une barre de torsion et étant munie d’un moteur électrique pourvu d’un réducteur, ce système de détection comportant :
- un premier capteur de position angulaire possédant N1paires de pôles où N1est un nombre entier relatif différent de zéro, ce premier capteur de position angulaire mesurant l’angle du moteur électrique et délivrant un premier signal ;
- un deuxième capteur de position angulaire possédant N2paires de pôles où N2est un nombre entier relatif différent de zéro, ce deuxième capteur de position angulaire mesurant l’angle de la direction du côté de la barre de torsion qui est le côté opposé à celui où se trouve le réducteur, et délivrant un deuxième signal
- et une unité de traitement effectuant une somme pondérée angulaire du premier signal et du deuxième signal pour produire un premier signal calculé proportionnel à l’angle volant absolu et pour produire un deuxième signal calculé proportionnel au couple.
- un premier capteur de position angulaire possédant N1paires de pôles où N1est un nombre entier relatif différent de zéro, ce premier capteur de position angulaire mesurant l’angle du moteur électrique et délivrant un premier signal ;
- un deuxième capteur de position angulaire possédant N2paires de pôles où N2est un nombre entier relatif différent de zéro, ce deuxième capteur de position angulaire mesurant l’angle de la direction du côté de la barre de torsion qui est le côté opposé à celui où se trouve le réducteur, et délivrant un deuxième signal
- et une unité de traitement effectuant une somme pondérée angulaire du premier signal et du deuxième signal pour produire un premier signal calculé proportionnel à l’angle volant absolu et pour produire un deuxième signal calculé proportionnel au couple.
De plus, le système selon l’invention peut comporter en outre en combinaison au moins l’une et/ou l’autre des caractéristiques additionnelles suivantes :
- l’unité de traitement considère que le premier signal calculé correspond à l’angle volant absolu sur plus d’un tour mécanique et que le deuxième signal calculé correspond au couple appliqué ;
- l’unité de traitement, effectue la somme pondérée angulaire pour produire le premier signal calculé qui est tel que : avec la fonction mathématique en dents de scie et de pente égale à 1, où l’exposant t décrit l’opération matricielle « transposée », avec , avec , avec , avec , avec , où est le rapport de réduction du réducteur, et où les paramètres , , et doivent être choisis de tel sorte à ce que et soient des entiers relatifs et de tel sorte à ce que l’équation suivante soit vérifiée :
- l’unité de traitement effectue la somme pondérée angulaire pour produire le deuxième signal calculé qui est tel que : avec la fonction mathématique en dents de scie et de pente égale à 1, où l’exposant t décrit l’opération matricielle « transposée », avec , avec , avec , avec , où est le rapport de réduction du réducteur, où est la rigidité de la barre de torsion et où les paramètres , , et doivent être choisis de tel sorte à ce que et soient des entiers relatifs et de tel sorte à ce que l’équation suivante soit vérifiée : - l’unité de traitement vérifie que l’ensemble des signaux mesurés et calculés appartiennent à un ensemble de valeurs admissibles, l’unité de traitement délivrant un signal d’alerte lorsque l’ensemble des signaux mesurés et calculés n’appartient pas à l’ensemble des valeurs admissibles ;
- le premier capteur de position angulaire et/ou le deuxième capteur de position angulaire sont des capteurs de position angulaire de type effet Hall, magnétorésistance, portes de flux, inductif, à courant de Foucault, reluctance variable ou optique ;
- le premier capteur de position angulaire et/ou le deuxième capteur de position angulaire sont des capteurs de position angulaire Vernier ou élémentaires ;
- la barre de torsion comporte des butées mécaniques afin que la déformation angulaire de la barre de torsion ne puisse pas dépasser une valeur prédéfinie par ces butées mécaniques ;
- l’unité de traitement effectue une somme pondérée angulaire uniquement du premier signal et du deuxième signal pour produire un premier signal calculé proportionnel à l’angle volant absolu et pour produire un deuxième signal calculé proportionnel au couple.
- l’unité de traitement considère que le premier signal calculé correspond à l’angle volant absolu sur plus d’un tour mécanique et que le deuxième signal calculé correspond au couple appliqué ;
- l’unité de traitement, effectue la somme pondérée angulaire pour produire le premier signal calculé qui est tel que :
- l’unité de traitement effectue la somme pondérée angulaire pour produire le deuxième signal calculé qui est tel que :
- le premier capteur de position angulaire et/ou le deuxième capteur de position angulaire sont des capteurs de position angulaire de type effet Hall, magnétorésistance, portes de flux, inductif, à courant de Foucault, reluctance variable ou optique ;
- le premier capteur de position angulaire et/ou le deuxième capteur de position angulaire sont des capteurs de position angulaire Vernier ou élémentaires ;
- la barre de torsion comporte des butées mécaniques afin que la déformation angulaire de la barre de torsion ne puisse pas dépasser une valeur prédéfinie par ces butées mécaniques ;
- l’unité de traitement effectue une somme pondérée angulaire uniquement du premier signal et du deuxième signal pour produire un premier signal calculé proportionnel à l’angle volant absolu et pour produire un deuxième signal calculé proportionnel au couple.
Un autre objet de l’invention concerne une direction équipée d’un système de détection qui exécute une commande de direction en fonction de l’angle volant absolu sur plus d’un tour mécanique et du couple.
Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention
En préambule de la description détaillée de l’invention, les définitions valables pour l’ensemble de cette demande de brevet sont données ci-après.
Tous les angles sont définis en degrés par convention. De plus, il est défini la fonction mathématique fwqui prend en entrée un angle quelconque et qui rend en sortie un angle équivalent compris dans l’intervalle . Il s’agit d’une fonction mathématique en dents de scie et de pente égale à 1. Cette fonction possède de nombreuses discontinuités. Elle est illustrée sur la Fig. 2 et est définie par la formule suivante :
où mod est la fonction modulo. Une définition alternative et équivalente de cette fonction fwaurait pu être . Où sind et cosd sont les fonctions trigonométriques usuelles respectivement équivalentes à sin et à cos mais où les angles sont exprimés en degrés plutôt qu’en radian, et où atan2d est la fonction donnant la coordonnée angulaire (définie entre -180° et 180° non inclus) d’un point dans le plan euclidien.
Par convention, cette demande utilise des angles définis en degrés mais il est aussi tout à fait possible d’utiliser d’autres unités, tel que le radian, le nombre de tours, le pourcentage ou le nombre de bits significatifs par exemple.
Une somme pondérée angulaire de signaux est définie ici comme une combinaison linéaire de signaux où les résultats intermédiaires et/ou finaux sont ramenés dans l’intervalle [-180 ; 180°[. En d’autres termes, il s’agit d’une formule incluant à la fois des combinaisons linéaires et l’utilisation de la fonction .
Le terme « capteur de position angulaire » est défini comme suit dans la présente demande. Il s’agit d’un élément de mesure constitué d’une sonde (stator) attachée à un référentiel et d’une cible (rotor) attachée à l’organe mécanique dont on souhaite connaître l’angle mécanique par rapport au référentiel. Grâce à un motif inscrit dans la cible, la sonde est capable de délivrer un signal électrique qui est proportionnel à l’angle mécanique de la cible par rapport au référentiel. Un tel capteur est aussi défini par son nombre de paires de pôles N qui un nombre entier relatif différent de zéro. La valeur absolue de N correspond à la périodicité de la cible, c’est-à-dire au nombre de fois où le motif se répète sur un tour mécanique de la cible. Le signe de N permet de définir si le signal de sortie varie dans le même sens que la grandeur d’entrée ou bien s’il varie en sens opposé. Enfin, la fonction de transfert entre la position mécanique et le signal électrique est définie par :
La grandeur θ est en général exprimée en degré mécanique et le signal électrique est souvent exprimé en degré électrique. Le signal électrique appartient à l’intervalle [-180° ; 180°[, alors que la position mécanique θ n’est pas limitée.
Il est important de noter qu’avec un tel capteur de position angulaire, le signal électrique est monotone et « strictement proportionnel » au signal sur une course dénommée course bijective et notée . Celle-ci est égale à :
Cette course bijective ne correspond pas nécessairement à la course applicative, notée . Selon les applications et les choix de conception, la course applicative peut être inférieure, égale ou supérieure à la course bijective . Dans le cas où la course applicative est inférieure ou égale à la course bijective , alors le signal électrique est monotone et « strictement proportionnel » sur toute la course applicative. Dans le cas où la course applicative est strictement supérieure à la course bijective , alors le signal électrique est « proportionnel par morceau » sur la course applicative, c’est-à-dire qu’il s’agit d’un signal en dent de scie possédant une ou plusieurs discontinuités. En d’autres termes, la connaissance du signal électrique ne permet pas de déterminer de manière univoque la position mécanique .
Lorsque la course applicative est supérieure à 360 degrés mécaniques, c’est-à-dire supérieure à un tour mécanique, alors il n’est pas possible de déterminer la position mécanique de manière univoque avec ce type de capteur (tel que défini dans la présente demande), quel que soit le nombre de paires de pôles N choisi.
Il est aussi important de noter que cette demande ne décrit pas la façon dont le signal électrique est transmis entre les divers composants électroniques du système de mesure. Il existe en effet de nombreux protocoles de communication possibles et connus de l’Homme du métier. Souvent, dans le cadre d’une réalisation physique, les capteurs de position angulaire transmettent l’information à une unité de traitement sous une forme codée afin de faciliter la transmission et d’optimiser la robustesse de ces signaux vis-à-vis du bruit et des diverses sources de perturbation. Par exemple, un signal électrique peut être encodé sous la forme de deux signaux Ssinet Scosdéfinis par : Avec C l’amplitude des signaux, typiquement en Volt. Bien entendu, l’unité de traitement doit ensuite décoder les signaux Ssinet Scosafin de retrouver le signal électrique . Dans l’exemple qui précède, le décodage s’effectue de la manière suivante :
où atan2d est la fonction donnant la coordonnée angulaire (définie entre -180° et 180° non inclus) d’un point dans le plan euclidien. Bien entendu, il s’agit d’un exemple, et de nombreux autres systèmes d’encodage/décodage existent, tel que les protocoles PWM, SENT, Vernier, SPI…
Ces capteurs de position angulaire peuvent être implémentés à l’aide de nombreuses technologies de mesures. Il est possible par exemple d’utiliser la technologie de mesure effet Hall, magnétorésistance, portes de flux, inductif, courant de Foucault, reluctance variable ou optique.
Un capteur de position angulaire élémentaire est défini ici comme un cas particulier de capteur de position angulaire qui n’est pas l’assemblage de plusieurs capteurs de position angulaire.
Un capteur de position angulaire Vernier est défini ici comme un cas particulier de capteur de position angulaire qui est l’assemblage d’au moins deux capteurs de position angulaire, qui seront appelés « sous-capteurs » dans ce contexte. En effet, un assemblage de plusieurs capteurs de position angulaire permet d’aboutir à un nouveau capteur de position angulaire grâce à l’utilisation d’un algorithme de type Vernier à une variable indépendante. Ce capteur de position angulaire Vernier possède en général une précision relative nettement plus élevée que les capteurs de position angulaire le composant. Il est important de noter que la définition est récursive. En effet, les capteurs de position angulaire composant le capteur de position angulaire Vernier peuvent indifféremment être des capteurs de position angulaire élémentaires ou bien être des capteurs de position angulaire Vernier.
D’après le principe de l’effet Vernier, si les différents « sous-capteurs » possèdent Na, Nb, Nc, … paires de pôles, alors le capteur Vernier issu de l’assemblage de ces « sous-capteurs » possède un nombre de paires de pôle N égal au plus grand commun diviseur de Na, Nb, Nc, … .
La suite de cette description illustre le principe de l’effet Vernier dans le cas où on assemble deux capteurs de positions angulaires (appelés « sous-capteurs ») en un nouveau capteur de position angulaire (appelé « capteur Vernier »). On note Naet Nbles nombres de paires de pôles des deux sous-capteurs. Ces deux sous-capteurs délivrent alors les deux signaux de sortie et suivants :
L’algorithme Vernier est une somme pondérée angulaire qui combine ces deux signaux de sortie et ayant Naet Nbpaires de pôles afin de délivrer un signal électrique ayant N paires de pôles. Il est possible de démontrer que ce nombre de paires de pôle N est ici égal à :
où pgcd est l’opérateur « plus grand commun diviseur ». Afin de décrire plus en détail l’algorithme Vernier à une variable indépendante, plusieurs grandeurs sont définies. Pour commencer, sont définis les nombres entiers suivants :
Ces nombres et correspondent aux nombres de paires de pôles des deux sous-capteurs comptés à l’intérieur de la course bijective du capteur Vernier . Sont introduits aussi les nombres entiers relatifs et , aussi appelés coefficients de Bézout, et qui sont une solution de l’équation Diophantienne suivante :
Connaissant les nombres et , il est possible de calculer les coefficients de Bézout et à l’aide de l’algorithme d’Euclide étendu. Par ailleurs, afin de simplifier les formules, sont définies les notations matricielles suivantes :
Il est introduit aussi la matrice de covariances Σ des erreurs des deux sous-capteurs :
où et sont les écarts-types des erreurs des deux sous-capteurs, exprimés en degré électrique. Et où est le coefficient de corrélation des erreurs des deux sous-capteurs et est compris entre -1 et 1. Cette matrice contient l’information a priori connue sur l’erreur des sous-capteurs. A défaut d’information a priori, il suffit de choisir , où Id est la matrice identité. Par ailleurs, cette matrice n’a pas besoin d’être connue de manière « absolue », c’est-à-dire qu’elle peut être estimée à un facteur multiplicatif près, sans que cela ne change les résultats de l’algorithme Vernier.
L’algorithme Vernier à une variable indépendante est une somme pondérée angulaire qui combine les signaux d’entrées pour délivrer le signal électrique . Une somme pondérée angulaire à une variable indépendante peut être définie selon diverses variantes ou formulations équivalentes entre elles. Par exemple, cette somme pondérée angulaire peut être définie par la formule suivante :
Où l’exposant t décrit l’opération matricielle « transposée ». Il est possible de démontrer que ce signal électrique est égal à , ce qui est bien la caractéristique d’un capteur de position angulaire à N paires de pôle.
Afin de garder les équations précédentes simples, il n’a pas été modélisé à l’intérieures de celles-ci les différentes sources d’erreur. Bien entendu, en pratique, les erreurs de mesure ne sont jamais identiquement nulles. Et il faut savoir qu’il est possible de démontrer que l’erreur relative contenue dans le signal électrique est beaucoup plus faible que les erreurs relatives contenues dans les signaux et . Ce gain en précision est l’un des grands avantages de l’effet Vernier. Et ce gain en précision est d’autant plus important que la matrice de covariance est bien estimée. Un autre avantage de l’effet Vernier est sa capacité à réaliser des autodiagnostics afin d’être en mesure de détecter certaines défaillances et ainsi d’améliorer la sureté de fonctionnement du système global.
Comme il existe différentes variantes et différentes formulations de l’algorithme Vernier à une variable indépendante, la présente invention ne se limite pas à la variante et à la formulation énoncée ci-dessus.
Il est à noter que l’algorithme Vernier à une variable indépendante proposé ici fait usage de la matrice de covariance afin de maximiser la précision du signal de sortie. Il s’agit d’une amélioration par rapport aux algorithmes Vernier classique à une variable indépendante.
L’objet de l’invention concerne un système de détection 1 d’une direction d’un véhicule au sens général. Selon un exemple d’application préféré qui sera décrit dans la suite de la description, le système de détection permet de mesurer le couple et l’angle volant absolu multi tours d’une direction assistée électrique de type « colonne ». Bien entendu, le système de détection est aussi adapté à d’autres architectures de direction assistées électriques, tel que par exemple les directions de type « simple pignon », de type « double pignon » ou de type « courroie ». Par ailleurs, la présente invention peut aussi être utilisée sur la direction d’un véhicule pour laquelle le volant est déconnecté mécaniquement des roues (système «steer by wire »). De même, selon un mode de réalisation moins performant, le système de détection selon l’invention peut mesurer l’angle volant absolu sur moins d’un tour mécanique.
La Figure 1 représente le système de détection 1 de la présente invention appliquée à une direction assistée électrique de type colonne 2. Cette direction 2 comporte un moteur électrique 3 pourvu d’un réducteur 4 de tous types connus ayant un rapport de réduction Rred, appliquant un couple à la direction du véhicule, à savoir la colonne de direction 5. La colonne de direction 5 est reliée à une de ses extrémités au volant du véhicule 6 et à l’autre extrémité à la crémaillère (non représentée) servant à faire tourner les roues du véhicule. Classiquement, le volant 6 peut tourner d'environ trois tours d'une extrémité gauche à une extrémité droite. La première grandeur à mesurer est l’angle volant absolu multi-tours de la colonne 5 (du côté volant par convention).
Cette direction 2 comporte également une barre de torsion 7 montée dans l’exemple illustré, sur la colonne de direction 5, entre le réducteur 4 et le volant 6. Cette barre de torsion 7 de rigidité G connue est réalisée de manière appropriée pour permettre la mesure par déformation angulaire du couple appliqué à la direction. Le couple T appliqué à la barre de torsion 7 engendre une déformation angulaire notée . Le couple T est la deuxième grandeur à mesurer.
On note aussi θ1l’angle mécanique du rotor du moteur électrique 3. D’après ce qui précède, les relations mathématiques entre les grandeurs mécaniques indépendantes et les angles mécaniques dépendants peuvent être modélisées de la façon suivante : et avec
Conformément à l’invention, le système de détection 1 comporte :
- un premier capteur de position angulaire 11 possédant N1paires de pôles où N1est un nombre entier relatif différent de zéro. Ce premier capteur de position angulaire 11 mesure l’angle du rotor du moteur électrique 3 et délivre un premier signal . Il est à noter que ce premier capteur de position angulaire 11 est généralement disponible dans une direction assistée puisqu’il est nécessaire au pilotage du moteur électrique 3 de la direction assistée ;
- un deuxième capteur de position angulaire 12 possédant N2paires de pôles où N2est un nombre entier relatif différent de zéro. Ce deuxième capteur de position angulaire 12 est monté du côté de la barre de torsion qui est le côté opposé à celui où se trouve le réducteur 4. Ce capteur mesure l’angle et délivre un second signal .
- un premier capteur de position angulaire 11 possédant N1paires de pôles où N1est un nombre entier relatif différent de zéro. Ce premier capteur de position angulaire 11 mesure l’angle
- un deuxième capteur de position angulaire 12 possédant N2paires de pôles où N2est un nombre entier relatif différent de zéro. Ce deuxième capteur de position angulaire 12 est monté du côté de la barre de torsion qui est le côté opposé à celui où se trouve le réducteur 4. Ce capteur mesure l’angle
Selon une variante avantageuse de réalisation, uniquement deux capteurs de position angulaire 11, 12 sont utilisés dans le cadre de l’invention. En d’autres termes, selon cette variante avantageuse de réalisation, le système de détection 1 comporte au niveau des capteurs de position angulaire, uniquement deux capteurs de position angulaire selon la définition donnée ci-avant.
Il est à noter que ces deux capteurs de position angulaire mesurent des angles par rapport au châssis du véhicule. En d’autres termes, les sondes de ces deux capteurs de position angulaire 11, 12 sont fixées au châssis du véhicule. Les premier et deuxième signaux , générés respectivement par le premier et le deuxième capteur de position angulaire 11, 12 sont égaux à
Il suit de ce qui précède que chacun des signaux , est compris dans l’intervalle [-180° ; 180°[, ce qui n’est en général pas le cas pour les angles mécaniques .
Conformément à l’invention, le système de détection 1 comporte également une unité de traitement 15 effectuant une somme pondérée angulaire et utilisant comme signaux d’entrées et de mesure, le premier signal et le deuxième signal et configurée pour effectuer des calculs pour produire un premier signal calculé proportionnel à l’angle volant absolu sur plus d’un tour mécanique et un deuxième signal calculé proportionnel au couple appliqué T. Cette unité de traitement 15 est réalisée par tous systèmes informatiques programmés et configurés pour réaliser les opérations de traitement et de calcul conformes à l’invention.
Selon une variante avantageuse de réalisation, l’unité de traitement effectue une somme pondérée angulaire uniquement du premier signal et du deuxième signal pour produire un premier signal calculé proportionnel à l’angle volant absolu et pour produire un deuxième signal calculé proportionnel au couple T.
L’unité de traitement 15 effectue une somme pondérée angulaire possédant des similarités avec le principe de l’algorithme Vernier à une variable indépendante décrit ci-dessus. Toutefois, l’unité de traitement 15 effectue dans le cadre de l’invention un traitement différent dans la mesure où l’unité de traitement 15 estime ici deux variables indépendantes. L’unité de traitement 15 effectue une somme pondérée angulaire dénommée ici algorithme Vernier à deux variables indépendantes. Cette somme pondérée angulaire combine en tant que signaux d’entrée de mesure, le premier signal et le deuxième signal pour délivrer deux signaux de sortie et proportionnels aux deux variables indépendantes et . Selon la variante avantageuse de réalisation, cette somme pondérée angulaire combine uniquement, en tant que signaux d’entrée de mesure, le premier signal et le deuxième signal . Afin de décrire plus en détail cet algorithme Vernier à deux variables indépendantes, il est défini plusieurs grandeurs. Sont introduits ainsi les nombres , , et qui doivent être choisis par le concepteur du système de mesure de tel sorte que l’équation suivante soit vérifiée :
où les nombres et doivent être des entiers relatifs et où et sont des nombres réels. Le nombre correspond à l’erreur de gain que l’on autorise dans le système afin de faciliter le dimensionnement du système, c’est-à-dire afin de faciliter le choix de , et . Par conséquent, la valeur absolue de doit être minimisée le plus possible afin de limiter les erreurs de gain dans le système. En pratique, il est souvent possible de choisir . Cependant, dans certains cas particuliers, lorsque Rredest un nombre fractionnaire trop complexe (dénominateur très grand) ou bien lorsque Rredest un nombre réel, alors il est souvent préférable d’introduire une légère erreur de gain afin de faciliter le choix de , et . Il s’agit d’un compromis qui peut être acceptable tant que reste faible. Notons par ailleurs que cette erreur de gain est potentiellement compensable en fin de calcul.
Le nombre a une signification physique car il correspond au nombre de tours mécaniques de l’arbre 5 pour lequel la mesure de l’angle volant sera bijective. Dis autrement, la plage de mesure bijective pic-pic de l’angle volant est égale à :
Avec les définitions précédentes, il est défini les nombres entiers et comme suit : où round est la fonction « arrondi » qui transforme un nombre réel en l’entier le plus proche. Ces nombres et correspondent aux nombres de paires de pôles de chaque capteur compté à l’intérieur de la course bijective de l’angle volant multi-tours.
Il est aussi possible de démontrer que la plage de mesure bijective pic-pic du couple est égale à :
Par ailleurs, afin de simplifier les formules, sont définis les notations matricielles suivantes :
L’algorithme Vernier à deux variables indépendantes est une somme pondérée angulaire qui combine les deux signaux d’entrées afin de délivrer les deux signaux de sorties et . Cette somme pondérée angulaire peut être définie par diverses formulations équivalentes dont l’une des formulations est la suivante :
Où l’exposant t décrit l’opération matricielle « transposée ». Il doit être compris que l’unité de traitement 15 effectue la somme pondérée angulaire pour produire le premier signal calculé qui possède la formulation ci-dessus ou une formulation équivalente.
De même, l’unité de traitement 15 effectue la somme pondérée angulaire pour produire le deuxième signal calculé qui possède la formulation ci-dessus ou une formulation équivalente.
Il est possible de démontrer mathématiquement à l’erreur de mesure près, au signe de pente près, et à l’erreur de pente près, que est égal à et que est égal à T, à condition que appartienne à l’intervalle et que appartienne à l’intervalle . En d’autres termes, l’unité de traitement 15 considère que le premier signal calculé correspond à l’angle volant absolu sur plus d’un tour mécanique et que le deuxième signal calculé correspond au couple appliqué .
Lorsqu’une ou plusieurs de ces conditions n’est pas respectée, les estimateurs et peuvent potentiellement être des signaux en dent de scie, c’est-à-dire des signaux non bijectifs possédant une ou plusieurs discontinuités. Selon les applications visées et le nombre de discontinuités résiduelles, le calculateur de la direction assistée électrique peut fonctionner normalement malgré cette non bijectivité car il possède parfois d’autres estimateurs et d’autres sources d’informations en provenance d’autres capteurs du véhicule qui lui permettent de lever les indéterminations restantes. En pratique, il semble envisageable de travailler avec un estimateur d’angle volant qui possède un nombre très faible de discontinuités résiduelles. Pour ce qui est de l’estimateur de couple , pour éviter que la déformation angulaire de la barre de torsion sorte de l’intervalle , il est envisageable d’ajouter des butées mécaniques au niveau de la barre de torsion 7 afin que la déformation angulaire de la barre de torsion 7 ne puisse pas dépasser une valeur prédéfinie par ces butées mécaniques. Cette technique rend impossible la mesure de très forts couples car l’estimateur de couple va saturer pour les très fortes valeurs absolues de couple. Mais cette technique évite de créer des indéterminations au niveau du système de mesure. Par ailleurs, la loi de commande de la direction assistée électrique a surtout besoin de connaitre le couple au voisinage de 0 N.m. Par conséquent, il n’est pas toujours pénalisant d’avoir un estimateur de couple qui sature pour de très fortes valeurs de couple. De plus la valeur de saturation de l’estimateur de couple peut être ajustée au besoin en jouant sur la valeur de la rigidité de la barre de torsion.
Un point important à noter est que pour avoir un capteur d’angle volant absolu sur plus d’un tour mécanique (N turns > 1), il est indispensable d’avoir un rapport de réduction non entier. Dans le cas le plus simple et le plus courant où , cela se comprend à l’aide de la contrainte déjà définie plus haut :
LorsqueN turns > 1, on voit bien que la seule façon de respecter cette contrainte est d’avoir un rapport de réduction non entier. Cela est généralement le cas dans les directions assistées électriques. Pour être absolu sur plusieurs tours de volant (dès la mise sous tension du système), les capteurs d’angle volant actuels utilisent des engrenages pour être capable de distinguer les tours mécaniques. Ces engrenages additionnels sont couteux. Grâce à l’invention proposée, il est possible de réaliser un capteur multi-tours sans ajouter d’engrenage, car l’objet de l’invention réutilise l’engrenage du réducteur 4 du moteur électrique 3 qui est déjà disponible.
Il ressort de la description qui précède que le couple et l’angle volant de référence sont déterminés sans capteur « physique » de couple et d’angle volant. En effet, l’angle volant absolu sur plus d’un tour mécanique et le couple appliqué T sont déterminés à partir du premier signal généré par le premier capteur de position angulaire 11 et du deuxième signal généré par le deuxième capteur de position angulaire 12.
Les capteurs complexes et couteux de l’art antérieur sont remplacés par des capteurs de position angulaire beaucoup plus simples et par un traitement de signal spécifique. Ce remplacement a été rendu possible grâce à la réutilisation astucieuse du premier signal du premier capteur de position angulaire 11 déjà disponible sur la plupart des directions assistées électriques et qui assure le pilotage du moteur électrique 3 de la direction assistée et aussi grâce à la réutilisation astucieuse du réducteur 4 du moteur électrique 3 déjà disponible sur toutes les directions assistées électriques. Par ailleurs, le système de détection 1 conforme à l’invention ne nécessite aucune initialisation au démarrage. Le premier signal calculé et le deuxième signal calculé sont disponibles dès la mise sous tension des capteurs de position angulaire. Aucun mouvement préalable de la direction n’est nécessaire pour disposer de ces deux signaux calculés.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l’unité de traitement 15 vérifie que l’ensemble des signaux mesurés et calculés appartiennent à un ensemble de valeurs admissibles. Si cela n’est pas le cas, alors l’unité de traitement 15 délivre un signal d’alerte lorsque l’ensemble des signaux mesurés et calculés n’appartient pas à l’ensemble des valeurs admissibles. Cette approche permet de détecter certaines catégories d’erreurs de mesures anormalement grandes. Par exemple, dans une application donnée, les signaux et appartiennent à une plage de valeur admissible préalablement connue. Ainsi, si à n’importe quel instant, l’un de ces signaux et sort de sa plage admissible, alors l’unité de traitement 15 délivre un signal d’alerte.
Pour illustrer l’objet de l’invention, on défini comme étant la plage de variation pic-pic de l’angle volant de référence à mesurer demandée par le cahier des charges. Et on définit comme étant la plage de variation pic-pic du couple à mesurer demandée par le cahier des charges. On suppose ici que les estimateurs et doivent être bijectifs sur toute la course et , c’est-à-dire que le calculateur de la direction assistée électrique ne possède aucune autre information pour lever une éventuelle indétermination résiduelle. Le dimensionnement d’un tel système implique donc de trouver les paramètres , , , , , , et respectant l’ensemble des contraintes suivantes :
où et sont les plages de mesures bijectives pic-pic du système de mesure données par les formules précédentes.
Si on suppose que le cahier des charges impose =1000° mec et =15 N.m, alors une solution possible à ce problème de dimensionnement est la suivante :
- = 3 N.m/°
- = 61/3
- = 1
- = 1
- = 1
- = -20
- = 3
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Il est aisé de montrer avec les équations précédentes qu’un tel dimensionnement abouti à une plage de mesure ° mec et N.m. Ainsi toutes les contraintes de dimensionnement ont bien été respectées.
Une modélisation numérique permet de montrer que le premier signal calculé et le deuxième signal calculé correspondent respectivement à l’angle volant absolu sur plus d’un tour mécanique et au couple appliqué T, comme cela apparaît sur les Fig. 4 et 5.
Il est à noter que les Fig. 4 et 5 illustrent des simulations réalisées sans bruit. D’autres simulations en présence de bruit ont été réalisées. Ces simulations ont montré que la présente invention est robuste vis-à-vis de ces bruits, y compris au niveau des angles mécaniques où les premier et deuxième signaux et en dents de scies possèdent des discontinuités. C’est-à-dire que les bruits présents en entrée sont transmis en sortie sans être sensiblement amplifiés malgré la présence de ces discontinuités. L’utilisation de l’algorithme Vernier à deux variables indépendantes permet même d’améliorer grandement le ratio signal sur bruit en sortie.
Il faut cependant noter que dans le cas où le deuxième capteur de position angulaire 12 serait un capteur de position angulaire élémentaire, alors le ratio signal sur bruit serait en pratique souvent insuffisant pour l’estimateur de couple , malgré le gain en précision apporté par l’algorithme Vernier à deux variables indépendantes. C’est la raison pour laquelle il est souvent en pratique souhaitable d’utiliser un capteur de position angulaire Vernier pour implémenter le deuxième capteur de position angulaire 12. C’est-à-dire qu’il est en général préférable que le deuxième capteur de position angulaire 12 soit lui-même l’assemblage de deux capteurs de position angulaire 12aet 12b, dénommés « sous-capteurs » dans ce contexte. Ces deux sous-capteurs 12aet 12bdélivrent les signaux et respectivement. Dans ce cas de figure, le signal est obtenu à l’aide de l’algorithme Vernier à une variable indépendante appliqué aux signaux et .
On note le nombre de paires de pôles du capteur de position angulaire 12a, et on note le nombre de paires de pôles du capteur de position angulaire 12b. Pour que l’assemblage de ces deux sous-capteurs aboutisse à un capteur de position angulaire 12 ayant les paires de pôles souhaité, il suffit de choisir un couple de nombres et respectant la contrainte suivante :
Où pgcd est l’opérateur « plus grand commun diviseur ». Pour rappel, dans l’exemple précédent, il avait été choisi lors du dimensionnement du capteur de position angulaire 12. Un tel capteur peut donc par exemple être implémenté sous la forme d’un capteur de position angulaire Vernier qui est l’assemblage d’un capteur de position angulaire 12aayant un nombre de paires de pôles et d’un capteur de position angulaire 12bayant un nombre de paires de pôles . En effet, le plus grand commun diviseur de 10 et 11 est bien égal à 1.
Le fait d’implémenter un ou plusieurs capteurs de position angulaire sous la forme d’un capteur de position angulaire Vernier permet d’améliorer la précision des estimateurs et ainsi que d’améliorer la sureté du système global grâce aux outils d’autodiagnostics de l’algorithme Vernier à une variable indépendante.
L’invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre.
Claims (10)
- Système de détection pour une direction (2) d’un véhicule permettant la mesure du couple (T) et de l’angle volant absolu (
- un premier capteur de position angulaire (11) possédant N1paires de pôles où N1est un nombre entier relatif différent de zéro, ce premier capteur de position angulaire (11) mesurant l’angle du moteur électrique (3) et délivrant un premier signal
- un deuxième capteur de position angulaire (12) possédant N2paires de pôles où N2est un nombre entier relatif différent de zéro, ce deuxième capteur de position angulaire (12) mesurant l’angle de la direction du côté de la barre de torsion qui est le côté opposé à celui où se trouve le réducteur (4), et délivrant un deuxième signal
- et une unité de traitement (15) effectuant une somme pondérée angulaire du premier signal - Système selon la revendication précédente, selon lequel l’unité de traitement (15) considère que le premier signal calculé (
- Système selon l’une des revendications précédentes, selon lequel l’unité de traitement (15), effectue la somme pondérée angulaire pour produire le premier signal calculé (
- Système selon l’une des revendications 1 à 2, selon lequel l’unité de traitement (15) effectue la somme pondérée angulaire pour produire le deuxième signal calculé (
- Système selon l’une des revendications précédentes, selon lequel l’unité de traitement (15) vérifie que l’ensemble des signaux mesurés et calculés appartiennent à un ensemble de valeurs admissibles, l’unité de traitement (15) délivrant un signal d’alerte lorsque l’ensemble des signaux mesurés et calculés n’appartient pas à l’ensemble des valeurs admissibles.
- Système selon l’une des revendications précédentes, selon lequel le premier capteur de position angulaire (11) et/ou le deuxième capteur de position angulaire (12) sont des capteurs de position angulaire de type effet Hall, magnétorésistance, portes de flux, inductif, à courant de Foucault, reluctance variable ou optique.
- Système selon l’une des revendications précédentes, selon lequel le premier capteur de position angulaire (11) et/ou le deuxième capteur de position angulaire (12) sont des capteurs de position angulaire Vernier ou élémentaires.
- Système selon l’une des revendications précédentes, selon lequel la barre de torsion (7) comporte des butées mécaniques afin que la déformation angulaire de la barre de torsion ne puisse pas dépasser une valeur prédéfinie par ces butées mécaniques.
- Système selon l’une des revendications précédentes, selon lequel l’unité de traitement (15) effectue une somme pondérée angulaire uniquement du premier signal
- Direction équipée du système de détection (1) conforme à l’une des revendications 1 à 9, qui exécute une commande de direction en fonction de l’angle volant absolu sur plus d’un tour mécanique (
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