WO2004031022A1 - Procede de stabilisation active d'un systeme de direction de vehicule automobile - Google Patents

Procede de stabilisation active d'un systeme de direction de vehicule automobile Download PDF

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Jean-Luc Deville
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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0457—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such
    • B62D5/046—Controlling the motor
    • B62D5/0472—Controlling the motor for damping vibrations

Definitions

  • the present invention relates, in general, to motor vehicle steering systems.
  • This invention relates, more particularly, to a method for active stabilization of a steering system, and even more especially to a stabilization method applied to an electric power steering.
  • the object of the invention is to avoid or at least greatly limit such disturbances, by carrying out active compensation for vibrations and jolts originating from the mechanical steering system and going back to the steering wheel, this by taking advantage of components of the power steering assistance.
  • the subject of the invention is a method of active stabilization of a steering system, which essentially consists in:
  • the method which is the subject of the invention can also take into account at least one other quantity chosen from the speed of rotation of the steering wheel and of the electric assistance motor, the acceleration of the position variation of the steering wheel and of the electric assistance motor, as well as the speed of variation of the force or of the torque in the wheel.
  • Other useful information such as the transverse acceleration of the vehicle can also be used, as long as it is available in the control unit of the electric power steering.
  • the regulation carried out on the position of the electric assistance motor relative to the position of the steering wheel, is preferably a regulation of the "PID" type (proportional, integral and derivative action regulation), for example at 1 ms.
  • PID proportional, integral and derivative action regulation
  • the steering wheel position sensor gives the angular position of the steering wheel at all times, while the position sensor of the electric assist motor provides the position of this motor at all times. Simultaneously, the torque sensor measures the effort in the steering wheel, that is to say the effort felt by the driver of the vehicle.
  • the position sensor of the electric assistance motor When a disturbance (as indicated in the introduction) appears, the position sensor of the electric assistance motor, a position which is linked to the steering organs such as the rack, will indicate a rotational movement to the computer.
  • the torque sensor for its part and in parallel, will begin to measure a force, which the driver will then feel, and which imposes a start of rotation of the steering wheel, detected by the angular position sensor of the steering wheel.
  • the driver would then have to exert manually on the steering wheel a significant and immediate antagonistic effort, to avoid rotation of the steering wheel. It is this effort that the method of the invention aims to minimize, by preventing the rotation of the steering wheel when it is not imposed by the driver.
  • the analysis of the signals provided by the various sensors including the observation of the order of succession or appearance of the signals coming from the position sensor of the electric assistance motor on the one hand, and from the angular position sensor on the other hand, makes it possible to discriminate the disturbances to be corrected, in other words to determine whether one is really in a situation of instability coming back from the mechanical steering, in which case only the previously described regulation is engaged.
  • This regulation acting on the position of the electric assistance motor, then brings about the positioning of this motor, with respect to the position of the steering wheel, so as to minimize the torque and to prevent unwanted rotation of the steering wheel.
  • FIG 1 shows, in perspective, an electrically assisted steering system, to which the method of the invention is applicable
  • Figure 2 is a diagram showing a possibility of evolution of the angle of the steering wheel and the angle of the electric assistance motor, as a function of time;
  • Figures 3 and 4 illustrate examples of laws, according to which regulation can be carried out in the process which is the subject of the invention;
  • FIG 5 is a general flowchart of the method of the invention.
  • an electric power steering system 1 of a motor vehicle is shown.
  • This steering system 1 comprises in particular a steering column 2, one end of which carries a steering wheel 3, and the other end of which is coupled to a mechanical steering 4, in particular a rack and pinion steering, displacing the steering rods 5 and 6 which transmit the steering force to the steered wheels (not shown) of the vehicle concerned.
  • an electric assistance motor 7 is also provided, placed in the example on the steering column 2, which applies a torque to this steering column 2 by means of a mechanical reducer 8 (torque multiplier), for example a worm and tangent wheel reducer.
  • the electric assistance motor 7 is controlled from an electronic computer 9, according to various parameters.
  • the electronic computer 9 contains the "logic" for controlling the power steering, and it also stores, in its memory, the laws of piloting this power steering.
  • the steering system 1 also comprises various sensors, in particular sensors of parameters intrinsic to this steering system 1, namely: a sensor 10 for the angular position of the steering wheel 3, a sensor 11 for the angular position of the electric assistance motor 7, and a torque sensor 12 in the steering wheel 3.
  • the signals from the three sensors 10, 11 and 12 are directed towards the computer 9.
  • FIG. 2 shows, in solid lines, a curve A1 of variation of the angular position of the flywheel 3, as a function of the time t expressed in seconds, and in dotted lines, a corresponding curve A2 for variation of the angular position of the electric assistance motor 7.
  • the first law expresses the variation in the compensation torque C exerted by the electric assistance motor 7, as a function of the difference in speed of rotation ⁇ between the flywheel 3 and the motor electric assistance 7.
  • the second law expresses the variation in the compensation torque C exerted by the electric assistance motor 7, as a function of the acceleration difference ⁇ between the rotation of the motor 7 and the steering wheel rotation 3.
  • This regulation process is only implemented under certain conditions, the presence of which is verified by a "test” carried out by the computer 9, using the various signals available.
  • the conditions of intervention of the regulation described here are, on the one hand, that the position of the electric assistance motor 7, given by the sensor 11, is in phase advance on the position of the flywheel 3, provided by the sensor 10, and secondly, that a resistant force is exerted on the steering wheel 3 by the driver, which may indicate the torque sensor 12.
  • a condition to be verified may be the finding of a vehicle speed above a predetermined threshold.

Abstract

Le procédé, s'appliquant à une direction assistée électrique, assure la compensation des vibrations et à-coups provenant de la direction mécanique (4) et remontant au volant de conduite (3). Il consiste à: détecter la position angulaire du volant (3) et la position du moteur électrique d'assistance (7), mesurer un effort ou un couple dans le volant (3), déterminer l'existence d'une relation particulière entre la position du volant (3), la position du moteur (7) et l'effort ou le couple dans le volant (3), et si cette relation est vérifiée, agir sur la commande du moteur électrique d'assistance (7), de manière à empêcher la rotation du volant (3), et à minimiser ainsi l'effort ou le couple dans le volant (3). Le procédé utilise les capteurs (10, 11, 12) et le calculateur (9) disponibles de la direction assistée électrique.

Description

Procédé de stabilisation active d'un système de direction de véhicule automobile
La présente invention se rapporte, de façon générale, aux systèmes de direction des véhicules automobiles. Cette invention s'intéresse, plus particulièrement, à un procédé de stabilisation active d'un système de direction, et encore plus spécialement un procédé de stabilisation appliqué à une direction assistée électrique.
Lorsqu'un véhicule automobile circule, la direction mécanique de ce dernier peut être perturbée par des éléments extérieurs à la direction, tels que : route en mauvais état, pavés, etc., ou par des défauts ou incidents, par exemple : dégradation rapide ou éclatement d'un pneumatique, perte d'une roue, etc.
De tels événements exercent des forces importantes dans le système de direction du véhicule. Ces forces sont transmises jusqu'au volant de conduite, et peuvent causer des désagréments, et même des difficultés importantes au conducteur. Les perturbations peuvent être d'autant plus importantes que la vitesse du véhicule est élevée, et que la force alors ressentie est importante et soudaine pour le conducteur. Le but de l'invention est d'éviter ou du moins de limiter fortement de telles perturbations, en réalisant une compensation active des vibrations et des à-coups provenant du système de direction mécanique et remontant au volant de conduite, ceci en mettant à profit des composants de l'assistance électrique de la direction. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de stabilisation active d'un système de direction, qui consiste essentiellement à :
- détecter la position angulaire du volant de direction et la position du moteur électrique d'assistance,
- mesurer un effort ou un couple dans le volant de conduite, - déterminer l'existence d'une relation particulière entre la position du volant, la position dudit moteur et l'effort ou le couple dans le volant, et
- si cette relation est vérifiée, agir sur la commande du moteur électrique d'assistance, de manière à empêcher la rotation du volant, et à minimiser ainsi l'effort ou le couple dans le volant. Pour la mise en œuvre de ce procédé de stabilisation active, on dispose en particulier d'un capteur de position angulaire du volant de conduite, d'un capteur de position du moteur électrique d'assistance, d'un capteur de couple au volant, et d'un calculateur qui reçoit et traite les signaux issus de ces capteurs, et qui commande la rotation et la position du moteur électrique d'assistance, en la régulant par rapport à la position du volant. Cette régulation, jusqu'ici considérée dans l'explication comme une fonction isolée, est en fait ajoutée ou combinée "aux lois d'assistance" qui président habituellement au pilotage de la direction assistée électrique, en fonction de divers paramètres. Dans cet ordre d'idées, le calculateur précité peut être inclus dans l'unité électronique de pilotage de la direction assistée électrique.
Outre la détection et la prise en compte de la position du volant, de la position du moteur électrique d'assistance et de l'effort ou du couple dans le volant, le procédé objet de l'invention peut encore prendre en considération au moins une autre grandeur choisie parmi la vitesse de rotation du volant et du moteur électrique d'assistance, l'accélération de la variation de position du volant et du moteur électrique d'assistance, ainsi que la vitesse de variation de l'effort ou du couple dans le volant. D'autres informations utiles telles que l'accélération transversale du véhicule, peuvent aussi être exploitées, dans la mesure où elles sont disponibles dans l'unité de pilotage de la direction assistée électrique.
La régulation, effectuée sur la position du moteur électrique d'assistance par rapport à la position du volant, est de préférence une régulation du type "PID" (régulation à action proportionnelle, intégrale et dérivée), par exemple à 1 ms. Globalement, l'intervention du procédé, objet de l'invention, s'opère comme suit :
Le capteur de position du volant donne, à tout moment, la position angulaire du volant, tandis que le capteur de position du moteur électrique d'assistance fournit, à tout instant, la position de ce moteur. Simultanément, le capteur de couple mesure l'effort dans le volant, c'est-à-dire l'effort que ressent le conducteur du véhicule.
Lorsqu'une perturbation (telle qu'indiquée en introduction) apparaît, le capteur de position du moteur électrique d'assistance, position qui est liée aux organes de la direction tels que la crémaillère, va indiquer un mouvement de rotation au calculateur. Le capteur de couple va, de son côté et en parallèle, commencer à mesurer un effort, que ressentira par la suite le conducteur, et qui impose un début de rotation du volant, détecté par le capteur de position angulaire du volant.
Si le procédé de l'invention n'était pas mis en œuvre, le conducteur devrait alors exercer manuellement sur le volant un effort antagoniste important et immédiat, pour éviter la rotation du volant. C'est cet effort que le procédé de l'invention vise à minimiser, en empêchant la rotation du volant lorsque celle-ci n'est pas imposée par le conducteur.
A ce stade de l'explication, il convient aussi de noter que, dans le cas d'une perturbation du genre ici considéré, la rotation du moteur électrique d'assistance intervient avant la rotation du volant, conséquence de la perturbation. Cet ordre de succession des mises en rotation est le contraire de celui observé lorsque le conducteur impose volontairement une rotation au volant : dans ce dernier cas, la position du moteur électrique d'assistance est une conséquence de l'effort manuel exercé par le conducteur, et de la commande de rotation du moteur électrique d'assistance qui accompagne, en la "suivant", la rotation du volant.
Ainsi, l'analyse des signaux fournis par les divers capteurs, incluant la constatation de l'ordre de succession ou d'apparition des signaux issus du capteur de position du moteur électrique d'assistance d'une part, et du capteur de position angulaire du volant d'autre part, permet de discriminer les perturbations à corriger, autrement dit de déterminer si on est véritablement en situation d'instabilité remontant de la direction mécanique, auquel cas seulement la régulation précédemment décrite est enclenchée.
Cette régulation, agissant sur la position du moteur électrique d'assistance, amène alors le positionnement de ce moteur, par rapport à la position du volant, de manière à minimiser le couple et à empêcher la rotation non désirée du volant.
La mise en œuvre du procédé de stabilisation active, objet de l'invention, est décrite ci-après plus en détail, dans le cadre d'exemples et en se référant au dessin schématique annexé, dans lequel :
Figure 1 représente, en perspective, un système de direction à assistance électrique, auquel est applicable le procédé de l'invention ;
Figure 2 est un diagramme représentant une possibilité d'évolution de l'angle du volant et de l'angle du moteur électrique d'assistance, en fonction du temps ; Figures 3 et 4 illustrent des exemples de lois, selon lesquelles peut s'effectuer la régulation dans le procédé objet de l'invention ;
Figure 5 est un organigramme général du procédé objet de l'invention. Sur la figure 1 est représenté un système de direction assistée électrique 1 de véhicule automobile.
Ce système de direction 1 comporte notamment une colonne de direction 2, dont une extrémité porte un volant de direction 3, et dont l'autre extrémité est accouplée à une direction mécanique 4, en particulier une direction à crémaillère, déplaçant des biellettes de direction 5 et 6 qui transmettent l'effort de braquage vers les roues directrices (non représentées) du véhicule concerné.
S'agissant d'une direction assistée électrique, il est encore prévu un moteur électrique d'assistance 7, placé dans l'exemple sur la colonne de direction 2, qui applique un couple sur cette colonne de direction 2 par l'intermédiaire d'un réducteur mécanique 8 (multiplicateur de couple), par exemple un réducteur à vis sans fin et roue tangente. Le moteur électrique d'assistance 7 est piloté à partir d'un calculateur électronique 9, en fonction de divers paramètres. Le calculateur électronique 9 contient la "logique" de contrôle de la direction assistée , et il stocke aussi, dans sa mémoire, les lois de pilotage de cette direction assistée.
Pour le pilotage classique de la direction assistée électrique, et pour la mise en œuvre du procédé de stabilisation active selon l'invention, le système de direction 1 comprend encore divers capteurs, en particulier des capteurs de paramètres intrinsèques à ce système de direction 1 , à savoir : un capteur 10 de la position angulaire du volant 3, un capteur 11 de la position angulaire du moteur électrique d'assistance 7, et un capteur 12 de couple dans le volant 3. Les signaux issus des trois capteurs 10, 11 et 12 sont dirigés vers le calculateur 9. A titre d'exemple, la figure 2 représente, en traits continus, une courbe A1 de variation de la position angulaire du volant 3, en fonction du temps t exprimé en secondes, et en traits pointillés, une courbe correspondante A2 de variation de la position angulaire du moteur électrique d'assistance 7. Les deux courbes A1 et A2 se superposent sensiblement mais, comme indiqué dans la zone E, il peut se produire à un certain moment une excursion de la courbe A2, indiquant une rotation parasite du moteur électrique d'assistance 7, non provoquée par une rotation du volant 3 impartie volontairement par le conducteur du véhicule. Une telle déviation résulte d'éléments extérieurs au système de direction 1 , qui perturbent la direction mécanique 4 et qui remontent vers le volant 3. Une telle perturbation est détectée et corrigée par le procédé objet de l'invention, grâce à un traitement particulier, effectué dans le calculateur 9, des signaux issus des trois capteurs 10, 11 et 12. Cette action de compensation ou régulation peut être représentée, entre autres, par des lois d'assistance supplémentaires, telles qu'illustrées aux figures 3 et 4, qui se superposent aux lois d'assistance habituelles de la direction, gérées par le même calculateur 9 :
- La première loi, donnée par le diagramme de la figure 3, exprime la variation du couple de compensation C exercé par le moteur électrique d'assistance 7, en fonction de l'écart de vitesse de rotation Δω entre le volant 3 et le moteur électrique d'assistance 7.
- La seconde loi, donnée par le diagramme de la figure 4, exprime la variation du couple de compensation C exercée par le moteur électrique d'assistance 7, en fonction de l'écart d'accélération Δγ entre la rotation du moteur 7 et la rotation du volant 3.
Ce processus de régulation n'est mis en œuvre que sous certaines conditions, dont la présence est vérifiée par un "test" effectué par le calculateur 9, à partir des divers signaux disponibles. En particulier, les conditions d'intervention de la régulation ici décrite sont, d'une part, que la position du moteur électrique d'assistance 7, donnée par le capteur 11 , soit en avance de phase sur la position du volant 3, fournie par le capteur 10, et d'autre part, qu'un effort résistant soit exercé sur le volant 3 par le conducteur, ce que peut indiquer le capteur de couple 12.
Le détail du processus, incluant ce test de nécessité d'une compensation, et la vérification de la réalisation d'autres conditions, préalables à toute action compensatrice, est illustré par l'organigramme de la figure 5. Par exemple, une condition à vérifier peut être la constatation d'une vitesse du véhicule supérieure à un seuil prédéterminé.
L'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention, telle que définie dans les revendications annexées, quels que soient notamment :
- les caractéristiques de la direction mécanique 4, - la localisation du moteur électrique d'assistance 7,
- les positions et types des capteurs 10, 11 et 12,
- les détails de l'algorithme mis en œuvre, qu'il s'agisse de la vérification ou constatation des conditions autorisant la compensation, ou de la régulation elle-même.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de stabilisation active d'un système de direction de véhicule automobile, en particulier d'une direction assistée électrique, pour la compensation des vibrations et des à-coups provenant de la direction mécanique (4) et remontant au volant de conduite (3), caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à :
- détecter la position angulaire du volant de direction (3) et la position du moteur électrique d'assistance (7), - mesurer un effort ou un couple dans le volant de conduite (3),
- déterminer l'existence d'une relation particulière entre la position du volant (3), la position dudit moteur (7) et l'effort ou le couple dans le volant (3), et
- si cette relation est vérifiée, agir sur la commande du moteur électrique d'assistance (7), de manière à empêcher la rotation du volant (3), et à minimiser ainsi l'effort ou le couple dans le volant (3).
2. Procédé de stabilisation active selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il utilise un capteur (10) de position angulaire du volant de conduite (3), un capteur (11 ) de position du moteur électrique d'assistance (7), un capteur (12) de couple au volant (3), et un calculateur (9) qui reçoit et traite les signaux issus de ces capteurs (10, 11 , 12), et qui commande la rotation et la position du moteur électrique d'assistance (7), en le régulant par rapport à la position du volant (3).
3. Procédé de stabilisation active selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il prend en considération, outre la détection et la prise en compte de la position du volant (3), de la position du moteur électrique d'assistance (7) et de l'effort ou couple dans le volant (3), au moins une autre grandeur choisie parmi la vitesse de rotation du volant (3) et du moteur électrique d'assistance (7), l'accélération de la variation de position du volant (3) et du moteur électrique d'assistance (7), et la vitesse de variation de l'effort ou du couple dans le volant (3).
4. Procédé de stabilisation active selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il exploite aussi d'autres informations disponibles dans l'unité de pilotage (9) de la direction assistée électrique, telles que l'accélération transversale du véhicule.
5. Procédé de stabilisation active selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la régulation, effectuée sur la position du moteur électrique d'assistance (7), est une régulation du type "PID" (régulation à action proportionnelle, intégrale et dérivée).
6. Procédé de stabilisation active selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une analyse de l'ordre de succession ou d'apparition des signaux, en particulier du fait que la position (A2) du moteur électrique d'assistance (7) soit en avance de phase sur la position (A1 ) du volant (3), considéré comme condition de mise en œuvre du processus de régulation.
7. Procédé de stabilisation active selon la revendication 6, caractérisé en ce que le processus de régulation n'est mis en œuvre qu'après vérification de la réalisation d'autres conditions, telles que la constatation d'une vitesse du véhicule supérieure à un seuil prédéterminé.
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