FR2672639A1 - Procede et dispositif de commande de la position d'un papillon de reglage de la quantite d'air admise dans un moteur a combustion interne. - Google Patents
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Abstract
Le dispositif comprend un moteur pas-à-pas (5) pour actionner un papillon (4), des moyens d'alimentation électrique (8) du moteur (5) et des moyens (7) sensibles à un signal délivré par un capteur (6) de position angulaire du papillon (4) et à un signal représentatif d'une position de consigne de ce papillon pour commander cette alimentation. Suivant l'invention le dispositif comprend des moyens (9, 10) pour numériser le signal de position angulaire sur n bits et le signal de consigne sur (n + m) bits, des moyens de commande (7) étant alimentés par les signaux numérisés pour asservir la position du moteur pas-à-pas et du papillon (4) en boucle fermée à l'aide d'un signal d'erreur numérisé sur n bits, et en boucle ouverte à l'aide d'un signal d'erreur numérisé sur (n + m) bits. Application à la commande d'un moteur à combustion interne propulsant un véhicule automobile.
Description
La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif de commande de la position d'un papillon de réglage de la quantité d'air admise dans un moteur à combustion interne propulsant un véhicule automobile et, plus particulièrement, à un tel dispositif de commande électronique assurant une résolution angulaire élevée, une grande dynamique et une grande vitesse de réponse, tout en présentant une bonne immunité aux bruits et un coût de fabrication contenu.
Les véhicules automobiles sont normalement équipés d'une pédale d'accélérateur qui est liée mecaniquement à un disque monté basculant dans le conduit d'admission d'air du moteur à combustion interne propulsant le véhicule. Par une action sur cette pédale, le conducteur commande la position angulaire du disque dans le conduit, position qui règle par perte de charge la quantité d'air entrant dans le moteur.
Une telle liaison mécanique est difficile à implanter, manque de précision et ne permet pas de faire intervenir dans le réglage de l'air admis, des dispositifs électroniques tels qu'un calculateur de temps d'injection d'essence, un dispositif d'antipatinage ou d'antiblocage de roues, etc...
On connaît un dispositif électronique de commande de la position du papillon d'air qui ne présente pas ces limitations. On a représenté schématiquement à la figure 1 un tel dispositif qui comprend essentiellement un capteur 1 de la position d'une pédale 2 d'accélérateur, ce capteur délivrant un signal représentatif de la demande du conducteur, une unité de commande 3 d'un moteur électrique 5 actionnant un papillon 4 pour asservir la position du papillon à une valeur de consigne demandée par le conducteur ou par un dispositif électronique embarqué, et un capteur 6 de position du papillon.A partir d'une valeur de consigne de la position du papillon 4 établie par le conducteur ou par l'un des dispositifs électroniques précités, et de la mesure de la position courante du papillon opérée par le capteur 6 et fournie à l'unité de commande 3, un calculateur contenu dans l'unité 3 élabore une commande transmise au moteur électrique 5 qui assure alors un déplacement convenable du papillon 4 pour asservir la position de celui-ci à la consigne demandée.
Pour être satisfaisant un tel dispositif doit présenter une très bonne résolution angulaire (de l'ordre de 0,1 pour un diamètre de papillon de 50 mm) une grande dynamique correspondant à une rotation de 90" d'un papillon entre sa position d'ouverture et sa position de fermeture, et une grande rapidité de réponse, le papillon devant passer d'une position d'ouverture à une position de fermeture ou inversement en 100 ms, par exemple. Ces caractéristiques sont indispensables pour assurer une bonne stabilité en régime de ralenti (+ 20 trs/mn) alors que le régime du moteur est particulièrement sensible à de faibles variations de la position angulaire du papillon.
Ces caractéristiques assurent aussi, toujours en régime de ralenti, une meilleure compensation des variations de régime lors de la mise en route d'un consommateur d'énergie tel qu'un climatiseur.
En régime de ralenti, lesdites caractéristiques assurent un bon agrément de conduite pour le conducteur, c'est-à-dire une bonne progressivité et une bonne précision de la commande du papillon ainsi qu'une grande rapidité de réponse afin qu'aucun décalage temporel entre la demande et la réponse ne puisse être perçu par le conducteur.
Pour obtenir la résolution souhaitée, on peut songer à utiliser un réducteur en sortie du moteur électrique. Le papillon n'étant pas alors couplé directement au moteur, cette solution n'est pas sûre du point de vue mécanique.
En outre, pour déplacer le papillon sur 90 , plusieurs tours du moteur sont nécessaires et on ne peut obtenir alors une réponse de rapidité suffisante.
On peut songer aussi à utiliser une commande numérique. La dynamique de O à 900 alors nécessaire (90 /0,1 ) compte tenu de la résolution demandée (0,1 ) implique alors d'utiliser des signaux numérisés sur 10 bits (dynamique de O à 1023), ce qui crée un certain nombre de problèmes.
Tout d'abord, il faut alors utiliser un capteur de position angulaire de papillon précis et donc coûteux, certains types de capteurs (à effet Hall par exemple) ne convenant alors pas car manquant de précision.
En outre, Le signal fourni par le capteur est délivré à une entrée analogique de moyens de commande numériques (à microprocesseur par exemple) qui doivent alors être équipés d'un convertisseur analogique/numérique travaillant sur 10 bits, forcément plus coûteux qu'un convertisseur travaillant sur 8 bits, par exemple. En outre, l'utilisation d'une entrée analogique numérisée sur 10 bits diminue l'immunité au bruit du dispositif alors que celui-ci, commandant un moteur électrique, engendre beaucoup de parasites dans les alimentations électriques nécessaires. Le capteur de position angulaire du papillon étant relié aux moyens de commande par un câble, le signal fourni par ce capteur risque en outre d'être perturbé par des parasites induits électromagnétiquement.
Si l'on observe qu qu'une grande précision n' est nécessaire que pour les faibles ouvertures du papillon, alors que le signal de tension fourni par le capteur 6 est faible, on peut réduire les coûts en utilisant un convertisseur analogique/numérique 8 bits et en changeant la tension de référence du convertisseur de manière à accroître alors la résolution effective. Mais il faut alors garantir la précision des diverses tensions de référence utilisées et il faut observer que les conversions analogique/numérique successives, avant et après une commutation d'échelle, risquent de fournir des valeurs différentes car ces conversions n'auront pas fait intervenir les mêmes éléments du convertisseur.
La présente invention a donc pour but de fournir un procédé et un dispositif de commande de la position d'un papillon de réglage de la quantité d'air admise dans un moteur à combustion interne propulsant un véhicule automobile, qui ne présentent pas les inconvénients mentionnés ci-dessus.
La présente invention a aussi pour but de fournir un tel procédé et un tel dispositif offrant, outre la résolution, la dynamique et la rapidité de réponse requise, une bonne immunité aux bruits et un coût de réalisation modéré.
La présente invention a encore pour but de fournir un tel procédé et un tel dispositif assurant une bonne progressivité de la commande aux faibles ouvertures du papillon, nécessaire pour obtenir une stabilité satisfaisante du fonctionnement du moteur en régime de ralenti.
On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la présente description, avec un procédé de commande de la position d'un papillon de réglage de la quantité d'air admise dans un moteur à combustion interne propulsant un véhicule automobile, suivant lequel on mesure la position angulaire du papillon, on numérise la mesure obtenue sur n bit et on utilise la mesure numérisée pour commander un moteur pasà-pas d'actionnement de ce papillon, de maniere à asservir cette position angulaire à une valeur de consigne. Selon l'invention, on commande le moteur pas-à-pas en boucle fermée à partir d'un signal d'erreur numérisé sur n bits et en boucle ouverte à partir d'un signal d'erreur numérisé sur (n + m) bits.
Comme on le verra dans la suite, on peut atteindre ainsi la résolution correspondant à l'utilisation de signaux numérisés sur (n + m) bits, avec des capteurs et des convertisseurs analogique/numérique de coûts modérés, ces derniers assurant une numérisation sur n bits seulement.
Suivant une caractéristique essentielle du procédé selon l'invention, on utilise une commande par micropas du moteur pas-à-pas pour assurer l'asservissement de la position du papillon à une valeur de consigne numérisée sur (n + m) bits. Cette technique connue de commande par micropas (voir le brevet des USA No. 4 855 660 au nom de
WRIGHT et cédé à SIEMENS-BENDIX AUTOMOTIVE ELECTRONICS LP) réduit les risques d'oscillations du papillon autour d'une position, et donc de perte de pas. Elle simplifie en outre le procédé de commande suivant l'invention, comme on le verra dans la suite.
WRIGHT et cédé à SIEMENS-BENDIX AUTOMOTIVE ELECTRONICS LP) réduit les risques d'oscillations du papillon autour d'une position, et donc de perte de pas. Elle simplifie en outre le procédé de commande suivant l'invention, comme on le verra dans la suite.
Suivant une autre caractéristique du procédé selon l'invention, on élabore un signal d'erreur de position de la commande en boucle fermée à partir d'une valeur de consigne numérisée sur (n + m) bits et d'une mesure de la position du papillon numérisée sur n bits et formatée en (n + m) bits par l'addition de m bits de plus faible poids à l'état 0.
Suivant encore une autre caractéristique du procédé selon l'invention, pour chaque cycle de calcul du signal d'erreur de la commande en boucle ouverte, on identifie la position initiale du papillon à la valeur de consigne de cette position utilisée dans le cycle précédent.
Suivant une variante du procédé selon l'invention, on agit en outre sur la valeur de consigne de la position du papillon à partir de paramètres de fonctionnement du moteur, de manière à doubler la boucle fermée de commande de la position du papillon par une deuxième boucle fermée, externe à la première.
L'invention fournit aussi un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, comprenant un moteur pas-à-pas pour actionner le papillon, des moyens d'alimentation électrique du moteur et des moyens sensibles à un signal délivré par un capteur de position angulaire du papillon et à un signal représentatif d'une position de consigne de ce papillon pour commander cette alimentation. Suivant l'invention, le dispositif comprend des moyens pour numériser le signal de position angulaire sur n bits, les moyens de commande étant alimentés par des signaux numérisés de position angulaire et de consigne pour asservir la position du moteur pas-à-pas et du papillon en boucle fermée à l'aide d'un signal d'erreur numérisé sur n bits et en boucle ouverte à l'aide d'un signal d'erreur numérisé sur (n + m) bits.Des moyens sont prévus pour commander le moteur par micropas suivant une résolution angulaire correspondant à la résolution du signal d'erreur de (n + m) bits utilisé dans l'asservissement en boucle ouverte.
Suivant une variante du dispositif selon l'invention, celui-ci comprend en outre des capteurs de paramètres de fonctionnement du moteur et des moyens sensibles à ces paramètres pour agir sur la consigne de position du papillon suivant une deuxième boucle de commande en boucle fermée, externe à la première. Cette deuxième boucle permet d'améliorer le contrôle en position du papillon et donc d'assurer, notamment en régime de ralenti, une bonne stabilité du régime.
D'autres caractéristiques et avantages du procédé et du dispositif suivant l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel
- la figure 1 est un diagramme fonctionnel, décrit en préambule de la présente description, d'un dispositif de commande de la position d'un papillon de la technique antérieure,
- la figure 2 est un diagramme fonctionnel d'un dispositif de commande de la position d'un papillon de réglage de la quantité d'air admise dans un moteur à combustion interne, suivant un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 3 est un diagramme fonctionnel d'une variante du dispositif de la figure 2,
- la figure 4 est un organigramme utile à la description du procédé de commande suivant l'invention, et
- la figure 5 représente des graphes de la vitesse de déplacement du papillon du dispositif suivant l'invention, en fonction de l'erreur de position instantanée et en fonction du temps, respectivement.
- la figure 1 est un diagramme fonctionnel, décrit en préambule de la présente description, d'un dispositif de commande de la position d'un papillon de la technique antérieure,
- la figure 2 est un diagramme fonctionnel d'un dispositif de commande de la position d'un papillon de réglage de la quantité d'air admise dans un moteur à combustion interne, suivant un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 3 est un diagramme fonctionnel d'une variante du dispositif de la figure 2,
- la figure 4 est un organigramme utile à la description du procédé de commande suivant l'invention, et
- la figure 5 représente des graphes de la vitesse de déplacement du papillon du dispositif suivant l'invention, en fonction de l'erreur de position instantanée et en fonction du temps, respectivement.
On se réfère à la figure 2 du dessin annexé où on retrouve dans le dispositif suivant l'invention représenté, le papillon d'admission 4, le moteur 5 de commande de la position de ce papillon et le capteur 6 de la position occupée par ledit papillon. Le dispositif comprend en outre des moyens numériques de calcul 7 constitués par exemple par un microprocesseur, celui-ci délivrant des signaux de commande à une unité de commande de puissance 8 qui règle l'alimentation électrique de phases 1, 2 du moteur 5 qui, suivant l'invention, est un moteur pas-à-pas.Le procédé de commande suivant l'invention que l'on va décrire dans la suite, est mis en oeuvre à l'aide d'une programmation adéquate du microprocesseur 7, et à l'aide d'un contrôleur 9 associé par exemple à un dispositif de commande d'injection de carburant dans le moteur à combustion interne équipé du dispositif suivant l'invention. Comme représenté sur la figure 2, le contrôleur 9 délivre au microprocesseur 7 un signal de consigne de position du papillon, calculé en fonction d'une ou plusieurs stratégies de commande adaptées chacune à une phase de fonctionnement particulière du moteur, telle qu'une phase de fonctionnement en régime de ralenti, par exemple.Bien entendu, ce contrôleur est associé à des moyens (non représentés) permettant de tenir compte d'une demande du conducteur du véhicule, affichée à l'aide d'une pédale d'accélérateur, comme on l'a vu plus haut.
Suivant une caractéristique essentielle du procédé de commande selon l'invention, on commande le moteur pasà-pas en boucle fermée à partir d'un signal d'erreur numérisé sur n bits et en boucle ouverte à partir d'un signal d'erreur numérisé sur (n + m) bits.
Comme on l'a vu plus haut, pour atteindre la résolution de 0,1 nécessaire, il faut effectuer des calculs sur des valeurs numérisées sur 10 bits. Ainsi, le contrôleur 9 délivre-t-il au microprocesseur 7 un signal de consigne de position du papillon numérisé sur 10 bits.
Comme on l'a vu plus haut encore, des considérations de coût et d'immunité aux bruits font opter pour l'utilisation dans les calculs d'un signal de position réelle du papillon numérisé sur 8 bits seulement. Ainsi, le signal analogique délivré par le capteur 6 est-il numérisé dans un convertisseur analogique/numérique 10, qui peut être extérieur ou intérieur au microprocesseur 7, de manière à délivrer un signal de position numérisé sur 8 bits.
Suivant une autre caractéristique essentielle du procédé selon 1 invention, pour atteindre la résolution de 0,1 requise dans la commande de position du papillon 4, le moteur pas-à-pas 5 peut être commandé par micropas suivant la technique décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 4 855 660 précité. A titre d'exemple non limitatif, on peut utiliser dans l'invention un moteur pas-à-pas du type hybride à 200 pas par tour (soit 50 pas sur 90 ), et dont la technique de commande en micropas permet de commander la position avec une résolution de 1/32ème de pas, soit une résolution angulaire de 1,8/32= 0,056 , largement supérieure à la résolution minimum de 0,1 requise pour la commande en position du papillon, notamment en régime de ralenti. On se référera au brevet américain précité, incorporé par référence à la présente demande, pour plus de détail concernant la technique de commande en micropas. Dans la présente application, la dynamique obtenue par une commande en 1/32ème de pas est de 0 à 1600 (50 pas x 32 micropas = 1600), cette dynamique étant supérieure à celle (900) qui est nécessaire pour un papillon mobile sur 90".
De ce qui précède, il résulte que le dispositif suivant l'invention représenté à la figure 2 comprend un microprocesseur 7 qui assure l'acquisition de la consigne de position angulaire du papillon et de la position courante du papillon, pour contrôler par l'intermédiaire de l'unité de commande de puissance 8, un moteur électrique pas-à-pas 5. Celui-ci entraîne directement le papillon d'admission 4 qui est lui-même couplé au capteur de position 6. Le signal délivré par ce capteur, après numérisation sur 8 bits seulement, permet au microprocesseur d'asservir la position du papillon à la consigne désirée, comme on va le comprendre à la lecture de la description qui va suivre du procédé de commande suivant l'invention, faite en liaison avec l'organigramme de la figure 4.
Comme on l'a vu plus haut, dans le procédé selon l'invention, on contrôle en position le papillon 4 en boucle fermée sur n bits (n = 8 dans l'exemple décrit) avec une dynamique de O à 255 et on utilise une commande en boucle ouverte pour atteindre une résolution plus fine grâce à l'utilisation de la technique de commande par micropas, la commande en boucle ouverte s'opérant à l'aide de signaux numérisés sur (n + m) bits (n + m = 10 dans l'exemple décrit, soit m = 2). Le contrôle en position ainsi obtenu permet d'atteindre une excellente progressivité de la commande (1/32ème de pas soit 0,056 ) et une bonne précision (8 bits soit 90 /256 = 0,35 ).
Comme on l'a vu plus haut, on se reportera au brevet américain précité pour une description complète de la technique de commande en micropas. En bref, celle-ci permet d'obtenir un demi-pas lorsque les deux phases b1 et 2 (appelées couramment "cosinus" et "sinus") sont alimentées simultanément par des courants de même amplitude. En modulant les courants circulant dans les deux bobinages b1 et 2, on peut obtenir des rotations progressives par 1/32ème de pas, ce qui permet d'atteindre la résolution angulaire de 0,056 précitée.
La commande en micropas, grâce à un amortissement amélioré de l'inertie du moteur, permet d'augmenter les vitesses de rotation de celui-ci. Pour obtenir un bon contrôle en position du papillon (suppression des oscillations du papillon autour de la position souhaitée), la vitesse de rotation du moteur et du papillon sera fonction de l'erreur de positionnement et suivra une loi de proportionnalité en fonction du temps, avec saturation, comme représenté sur le graphe de la figure 5A. Dans le temps cette vitesse de déplacement pourra suivre la loi illustrée à la figure 5B, qui fait apparaître une croissance linéaire avec le temps, puis une saturation, et une décroissance linéaire finale.
Ainsi, pratiquement, l'erreur de position permet de déterminer une vitesse de déplacement optimale, suivant la loi illustrée par la figure 5A. La loi de variation dans le temps définie par le graphe de la figure 5B peut provoquer cependant le choix d'une vitesse de déplacement intermédiaire entre celles définies par les deux lois, si la loi de la figure 5A ne permet pas de respecter l'évolution dans le temps définie par la figure 5B. A chaque cycle de calcul, l'opportunité d'utiliser la vitesse de déplacement optimale est ainsi réexaminée.
Le microprocesseur 7 reçoit un signal numérisé sur 8 bits et définissant la position actuelle du papillon et un signal numérisé sur 10 bits représentant une valeur de consigne de la position de ce papillon. Le microprocesseur calcule alors la différence sur 8 bits de ces deux valeurs pour en tirer un signal d'erreur sur 8 bits. Le microprocesseur agit par cycles de calcul successifs qui se renouvellent, par exemple, toutes les 5 ms. Au début d'un cycle de calcul, le microprocesseur saisit d'abord la mesure de la position actuelle du papillon (sur 8 bits) puis fait l'acquisition de la consigne de position du papillon (cette dernière mesure est opérée à partir d'une entrée en fréquence et ne nécessite donc pas d'entrée analogique sur 10 bits). Le microprocesseur réalise alors un premier calcul d'erreur de position sur 8 bits.Pour cela la consigne de position de papillon est ramenée sur 8 bits, c'est-à-dire que les deux bits de poids faible de la consigne sur 10 bits sont supprimés.
Si l'erreur de position ainsi calculée sur 8 bits n'est pas nulle, on sauvegarde pour le cycle de calcul suivant, comme valeur de position initiale du papillon, la consigne actuelle de position du papillon ramenée sur 8 bits et formatée en 10 bits pour être assimilable par le microprocesseur, c'est-à-dire en réglant à O les deux bits des poids les plus faibles. Suivant l'invention, on considère en effet que pendant les 5 ms que dure un cycle, le moteur pas-à-pas a le temps de rallier la consigne qui lui est fixée pendant ce cycle. On établit ainsi une commande en boucle fermée de la position du papillon, à partir de calculs dont la précision est de 8 bits.
On détermine ensuite le nombre de pas ou micropas que doit effectuer le moteur pas-à-pas pour atteindre la nouvelle consigne de position de papillon (voir figure 4).
Le signe de l'erreur de position indique le sens de la rotation du moteur 5. Le nombre de micropas à réaliser permet au microprocesseur de déterminer la vitesse de rotation du moteur suivant les lois représentées aux graphes de la figure 5, mises en mémoire dans le microprocesseur. On remarquera que la vitesse de rotation est limitée de manière à ne pas entraîner de pertes de pas, par exemple lors des démarrages ou arrêts brusques du moteur.
Dès que le calcul d'erreur de position sur 8 bits donne un résultat nul, le microprocesseur exécute un deuxième calcul d'erreur de position sur 10 bits. Pour cela il utilise comme valeur de position du papillon (sur 10 bits) la valeur de la consigne utilisée dans le cycle antérieur, supposée (comme indiqué ci-dessus) représenter la position actuelle du papillon sur 10 bits. La consigne actuelle est sauvegardée pour utilisation dans un éventuel cycle de calcul suivant, en tant que mesure de position initiale dans le cycle, comme on l'a vu plus haut.
Finalement, à partir de l'amplitude de l'erreur et de son signe, on règle ensuite l'amplitude, le sens et la vitesse de rotation du moteur, comme décrit ci-dessus.
Ainsi, suivant l'invention, un contrôle en boucle ouverte sur 10 bits intervient lorsque l'asservissement de position sur 8 bits (boucle fermée) est réalisé. L'erreur de position est alors faible et ne nécessite plus que de faibles vitesses de déplacement du papillon. Ceci diminue les risques d'erreur de positionnement résultant par exemple de pertes de pas dues à l'inertie du rotor du moteur pas-à-pas, à des erreurs de mesure de position, etc... En outre, les erreurs de position étant faibles, il est possible de garantir que le moteur aura le temps d'atteindre la nouvelle consigne en 5 ms, ce qui permet d'utiliser, suivant l'invention la valeur de l'ancienne consigne comme étant la position courante du papillon au début d'un nouveau cycle de calcul.
Conformément aux enseignements du brevet américain précité concernant la technique de commande en micropas du moteur, le microprocesseur déclenche cycliquement les commandes nécessaires pour le contrôle en position du moteur pas-à-pas. A partir de la détermination du nombre de micropas à effectuer et de la direction de la rotation du moteur, il y a décrémentation de l'erreur de position précédemment calculée et incrémentation d'un index dans une "cartographie" mise en mémoire pour détermine l'amplitude des courants à envoyer dans les phases b1 et b2 (sinus et cosinus) du moteur pas-à-pas.
Il apparat maintenant que la commande du moteur qui se développe à partir d'un calcul d'erreur sur 10 bits correspond, comme annoncé plus haut, à une commande en boucle ouverte, cette phase de commande étant précédée par une phase de commande en boucle fermée sur 8 bits.
Incidemment, on remarquera que la commande d'un moteur pas-à-pas ne nécessite pas, en principe, l'utilisation d'un capteur pour vérifier la position dans laquelle il se trouve. En effet, connaissant la position de départ du moteur, il suffit de compter les pas effectués lors des déplacements pour connaître la nouvelle position du moteur. En pratique de tels comptages peuvent être perturbés par des pertes de pas lors des démarrages ou des arrêts du moteur, du fait de l'inertie de celui-ci.
Pour ne pas être trop limité en vitesse de rotation, c'est-à-dire en rapidité de réponse, on utilise alors un capteur de position pour vérifier les déplacements réalisés.
On se réfère maintenant à la figure 3 du dessin annexé, où l'on a représenté une variante du dispositif de la figure 2, variante dont l'emploi se révèle particulièrement avantageux pour régler la vitesse de rotation du moteur à combustion interne pendant un fonctionnement en ralenti de celui-ci, qui implique de très faibles ouvertures du papillon. On retrouve sur la figure 3 tous les organes du dispositif de la figure 2, associés à un moteur 11 comprenant un volant 12 sur son axe de sortie, la vitesse de rotation de ce volant étant détectée par un capteur 13, à réluctance variable par exemple, ce capteur fournissant un signal correspondant à un contrôleur 9 de papillon incorporé à un dispositif 15 prévu pour commander, par exemple, l'injection de carburant et/ou l'allumage du mélange air/carburant introduit dans le moteur.La saisie par le dispositif 15 et le contrôleur 9, du régime (N) du moteur permet d'établir une deuxième boucle d'asservissement, parallèle à la première, ce deuxième asservissement permet d'améliorer la résolution de la commande en position du papillon en augmentant ainsi la stabilité du régime de ralenti. Afin d'améliorer encore cette stabilité, un capteur de pression d'admission 14 peut être prévu pour fournir au dispositif 15 et au contrôleur 9 un paramètre supplémentaire tel que la pression d'admission (P), permettant d'observer le fonctionnement du moteur notamment en régime de ralenti. La deuxième boucle d'asservissement peut n'être activée qu'en régime de ralenti.
Le procédé et le dispositif de commande suivant l'invention décrits ci-dessus présentent de nombreux avantages. Outre ce que l'on tire de l'utilisation d'un moteur pas-à-pas hybride (grand nombre de pas par tours, couple massique élevé, amortissement interne important, "mémoire magnétique" de position), l'utilisation d'un signal de position de papillon numérisé sur 8 bits seulement permet d'incorporer au dispositif un capteur de position et un convertisseur analogique/numérique de prix modéré. Le prix du dispositif pourra encore être contenu par l'utilisation d'un microprocesseur à convertisseur analogique/numérique 8 bits intégré que l'on trouve actuellement dans le commerce.
Par ailleurs, la commande du moteur en micropas réduit les risques d'oscillations autour d'une position, ce qui évite des pertes de pas. On notera en outre que le repérage en position du papillon effectué par le capteur de position peut être doublé par un comptage des pas, ce qui peut présenter un avantage important lorsque l'on exige un niveau élevé de sécurité et donc des mesures redondantes de la position du papillon. Il en résulte une amélioration des performances de la commande en arrêt ou démarrage du moteur pas à pas, c' est-à-dire une amélioration du temps de réponse. Enfin cette technique de commande permet de simplifier la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention.En effet, on pourra utiliser dans la phase de commande en boucle fermée une commande classique en pas-à-pas, puis dans la deuxième phase de commande en boucle ouverte, une commande par micropas.
Du fait d'une numérisation sur 8 bits des mesures opérées par le capteur de position de papillon, l'immunité du dispositif au bruit sera améliorée par rapport à ce que l'on observerait si on numérisait sur 10 bits. Ceci peut permettre d'éviter le blindage du câble qui relie le capteur au microprocesseur.
Si la précision de la commande obtenue est déterminée par le convertisseur analogique/numérique utilisé (soit 8 bits ou 0,35 ), la résolution de la commande (1/32ème de pas soit 0,056 ) assure une excellente progressivité aux faibles ouvertures de papillon. Si une commande plus précise est nécessaire, on pourra effectuer un asservissement par comptage des micropas, au prix d'une vitesse de déplacement du moteur plus faible pour éviter des pertes de micropas dans les comptages.
Si on souhaite utiliser un gros papillon sur un moteur de faible puissance, il faut bien entendu accroître la résolution de la commande de ce papillon. L'invention permet d'obtenir une résolution élevée et, à ce titre, autorise une certaine standardisation du papillon sur des moteurs de puissance diverses.
Pendant les phases de régulation de ralenti, le deuxième asservissement prévu par 1 invention (voir figure 3) grâce à l'observation de l'évolution du régime du moteur et/ou de la pression d'air d'admission du moteur, permet d'améliorer la précision de la commande en position du papillon et donc d'améliorer la stabilité du régime de ralenti. On observera que la boucle d'asservissement externe établie grâce au capteur 13 et/ou 14 est lente mais précise, puisqu'opérant couramment avec une précision meilleure que 10 bits pour le régime moteur. L'information "pression collecteur" fournie par le capteur 14 peut être, il est vrai, d'une précision de 8 bits seulement. Mais il faut remarquer alors que la fonction reliant la position du papillon à la pression du collecteur n'est pas linéaire.En particulier, dans le domaine des faibles ouvertures de papillon auquel l'invention s'applique tout particulièrement, de petites variations de la position du papillon entraînent de grandes variations de la pression du collecteur, le signal fourni par le capteur de pression contribuant alors largement à l'accroissement de la précision du réglage du débit d'air. C'est donc grâce à la précision de la boucle fermée externe que la précision de la boucle ouverte utilisée dans l'invention reste suffisamment bonne pour l'application recherchée.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. Ainsi, dans l'hypothèse où la précision d'un moteur commandé seulement pas par pas serait jugée suffisante, on pourrait renoncer à l'utilisation d'une commande par micropas de ce moteur.
L'invention garderait cependant sa valeur en ce qu'elle permettrait d'abaisser le coût du dispositif par l'utilisation qu'elle fait de mesures numérisées sur 8 bits seulement au lieu de 10 par exemple.
De même, bien que l'invention fait avantageusement appel à un moteur pas-à-pas du type hybride pour atteindre la résolution demandée, on ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant des moteurs pas-à-pas d'autres types, à réluctance variable ou à aimant permanent par exemple.
L'invention s'étend enfin à des procédés de commande combinant un asservissement en boucle fermée et une commande en boucle ouverte mis en oeuvre sur des grandeurs numérisées sur des nombres n ou (n + m) de bits différents de ceux donnés ci-dessus à titre d'exemple.
Claims (16)
1. Procédé de commande de la position d'un papillon de réglage de la quantité d'air admise dans un moteur à combustion interne propulsant un véhicule automobile, suivant lequel on mesure la position angulaire du papillon, on numérise la mesure obtenue sur n bits et on utilise la mesure numérisée pour commander un moteur pasà-pas d'actionnement de ce papillon de manière à asservir cette position angulaire à une valeur de consigne, caractérisé en ce qu'on commande le moteur pas-à-pas en boucle fermée à partir d'un signal d'erreur numérisé sur n bits et en boucle ouverte à partir d'un signal d'erreur numérisé sur (n + m) bits.
2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise une commande par micropas du moteur pas-à-pas pour assurer l'asservissement de la position du papillon à une valeur de consigne numérisée sur (n + m) bits.
3. Procédé conforme à la revendication 2, caractérisé en ce qu'on élabore un signal d'erreur de position de la commande en boucle fermée à partir d'une valeur de consigne numérisée sur (n + m) bits et d'une mesure de la position du papillon numérisée sur n bits et formatée en (n + m) bits par l'addition de m bits de plus faible poids à l'état "O".
4. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pour chaque cycle de calcul du signal d'erreur de la commande en boucle ouverte, on identifie la position initiale du papillon à la valeur de consigne de cette position utilisée dans le cycle précédent.
5. Procédé conforme à la revendication 4, prise dans son rattachement à la revendication 2, caractérisé en ce que, dans la commande en boucle ouverte, on détermine la vitesse de rotation du moteur en fonction de l'erreur de position calculée.
6. Procédé conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que ladite vitesse de rotation est proportionnelle à l'erreur de position calculée, avec saturation au-dessus d'une valeur maximale prédéterminée de cette erreur.
7. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on agit en outre sur la valeur de consigne de la position du papillon à partir de paramètres (N, P) de fonctionnement du moteur, de manière à doubler la boucle fermée de commande de la position du papillon par une deuxième boucle fermée, externe à la première.
8. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un moteur pas-à-pas (5) pour actionner le papillon, des moyens d'alimentation électrique (8) du moteur et des moyens (7) sensibles à un signal délivré par un capteur (6) de position angulaire du papillon (4) et à un signal représentatif d'une position de consigne de ce papillon pour commander cette alimentation, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (9, 10) pour numériser le signal de position angulaire sur n bits, les moyens de commande (7) étant alimentés par des signaux numérisés de position angulaire et de consigne pour asservir la position du moteur pas-à-pas et du papillon (4) en boucle fermée à l'aide d'un signal d'erreur numérisé sur n bits, et en boucle ouverte à l'aide d'un signal d'erreur numérisé sur (n + m) bits.
9. Dispositif conforme à la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour commander le moteur par micropas suivant une résolution angulaire correspondant à la résolution du signal d'erreur de (n + m) bits utilisé dans l'asservissement en boucle ouverte.
10. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour numériser sur (n + m) bits la valeur de consigne de la position du papillon.
11. Dispositif conforme à la revendication 10, caractérise en ce qu'il comprend une pédale d'accélérateur, un capteur sensible à la position de cette pédale et des moyens alimentés par un signal délivré par ce capteur pour élaborer un signal de consigne de position du papillon numérisé sur (n + m) bits.
12. Dispositif conforme à la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'élaboration d'un signal de consigne de position du papillon numérisé sur (n + m) bits, dans au moins une phase de fonctionnement particulière du moteur ou du véhicule.
13. Dispositif conforme à la revendication 12, caractérisé en ce que ladite phase de fonctionnement est une phase de fonctionnement au ralenti du moteur, une phase de blocage ou de patinage imminent des roues du véhicule.
14. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend des capteurs de paramètres (P, N) de fonctionnement du moteur et des moyens sensibles à ces paramètres pour agir sur la consigne de position du papillon suivant une deuxième boucle de commande en boucle fermée, externe à la première.
15. Dispositif conforme à la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits capteurs sont sensibles au régime (N) du moteur à combustion interne et, éventuellement, à la pression d'admission (P).
16. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que la deuxième boucle n'est activée qu'en régime de ralenti.
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