WO2014128375A2 - Procede de determination de la pression differentielle exercee sur la tige de commande d'un actionneur electropneumatique et procede de determination de la position de ladite tige - Google Patents

Procede de determination de la pression differentielle exercee sur la tige de commande d'un actionneur electropneumatique et procede de determination de la position de ladite tige Download PDF

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Guillaume LEMEE
Christophe PACILLY
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D7/00—Control of flow
    • G05D7/06—Control of flow characterised by the use of electric means
    • G05D7/0617—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials
    • G05D7/0629—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means
    • G05D7/0635—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means by action on throttling means

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the differential pressure exerted on the control rod of an electropneumatic actuator.
  • the invention also relates to a method for determining the position of said rod.
  • the electropneumatic actuators concerned are generally composed of a pneumatic solenoid valve (which can be proportional, that is to say providing an output pressure proportional to a control signal) and a pneumatic capsule, provided with a control rod and a return spring, the actuator for transforming the outlet pressure of the valve into translational movement of said control rod.
  • Said capsule can be connected to the solenoid valve via a pipe or integrated with the solenoid valve to form a compact assembly.
  • Actuators of this type are commonly used in the automotive industry to actuate eg turbochargers, EGR valves and air metering units in pressure or air flow control loops. A position sensor is sometimes added to the actuator stem to provide pressure or air flow control.
  • solenoid valve of the present invention is for example described in the patent application FR2890431 or DE4205565.
  • a pressure sensor for measuring the differential pressure at the output of the actuator or a position sensor for measuring the position of the rod of the actuator
  • the modeling is complex because the physics of the system makes use of many equations and is strongly nonlinear, especially for the solenoid valve.
  • a good knowledge of the actuation model allows a gain of time of development, better performances (gain in response time and in robustness) and possibly the suppression position sensor.
  • the present invention provides a method for determining the differential pressure exerted on the control rod of an electropneumatic actuator, and the position of said rod, from a new simplified behavioral model of the actuator.
  • the differential pressure is defined as the difference between the external pressure at the actuator - close to or equal to the atmospheric pressure - and the outlet pressure of the valve.
  • the simplified model uses the external pressure, the solenoid valve control signal, the solenoid valve supply pressure and the external force applied to the control rod.
  • the invention relates to a method for determining the differential pressure Pdif exerted on the control rod of an actuator comprising a pneumatic solenoid valve controlling the displacement of said control rod according to a signal of U control, said solenoid valve comprising a magnetic circuit for moving a movable core by applying said control signal U to said magnetic circuit, a chamber at the external pressure Pext in which said core can move, an outlet chamber at the outlet pressure Psor, a vacuum chamber in which there is a pressure Palim, a valve for establishing a filling air flow Qr of said chamber at the external pressure to said chamber at the outlet pressure, a nozzle to establish a drain air flow Qv between said chamber at the external pressure and said vacuum chamber, a passage between said chamber at a external pressure and said chamber at the outlet pressure allowing a leakage air flow Qf, the pressure Differential Pdif being equal to the external pressure Pext minus the outlet pressure Psor.
  • the flow rate of air Qa in said outlet chamber is determined as a function of said pressure Pext, said control U and an equilibrium control which characterizes the position of said core for which the air flow Qa is zero;
  • Said air flow Qa in said outlet chamber is determined by calculating:
  • Said emptying rate Qv is calculated by determining the difference Dcde between said command U and said equilibrium control and
  • Qv is determined by taking the lowest value between Qvmax and a value dependent on said difference Dcde and a value dependent on said Psor pressure and said Palim pressure.
  • said solenoid valve comprising a pre-stressed filling spring
  • said filling rate Qr is determined by comparing the difference Dcde between said command U and said equilibrium control with a value (-Seuil) which characterizes the prestressing of said spring
  • said leakage rate Qf is determined by means of a mapping function of said external pressure Pext and the ratio of said outlet pressure Psor to said external pressure Pext.
  • the invention also relates to a method for determining the position Pos of said control rod of said actuator, that is to say a control rod of an actuator comprising a pneumatic solenoid valve controlling the displacement of said control rod according to a control signal U, said valve comprising a magnetic circuit for moving a movable core by applying said control signal U to said circuit, a chamber at the external pressure Pext in which said core can move, an outlet chamber at the pressure Psor, a vacuum chamber in which there is a pressure Palim, a valve for establishing a filling air flow Qr of said chamber at the external pressure to said chamber at the outlet pressure, a nozzle for establishing a discharge air flow Qv between said chamber at the external pressure and said vacuum chamber, a passage between said chamber at the pressure external and said chamber at the outlet pressure allowing a leakage air flow Qf,
  • the position of said actuator is determined by means of a mapping function of said differential pressure Pdif and of the force Fext exerted on said control rod, and
  • the position of said rod is recalculated by taking into account the variation of the volume of said outlet chamber for the determination of said airflow Qa.
  • Said position obtained using said mapping is filtered by a low-pass filter of the first order to take into account the dynamics of said actuator.
  • FIG. 1 shows, schematically and in section, an actuator composed of an electro-pneumatic solenoid valve and a pneumatic capsule;
  • FIG. 2 shows the evolution of the outlet pressure (in mbar) Psor of the solenoid valve as a function of the control voltage U applied to the solenoid valve;
  • FIG. 5 shows the characteristic response of the output pressure Psor in response to a step-shaped control signal U
  • FIG. 6 represents, schematically and in block form, the methods of the invention.
  • FIG. 12 diagrammatically represents the principle of calculating the Pos position of the control rod of the actuator
  • FIG. 13 schematically represents the principle of calculating the volume of the capsule
  • FIG. 14 diagrammatically represents the principle of calculating the balance control
  • FIG. 15 diagrammatically represents all the different steps of the methods of the invention.
  • the electropneumatic actuator 20, shown schematically and in section in FIG. 1, is composed of a pneumatic solenoid valve 21 and a pneumatic control capsule 22, the outlet 23 of the solenoid valve being connected to the inlet 24 of the capsule by a pipe 25.
  • the solenoid valve is preferably of the proportional pressure type.
  • the solenoid valve 21 comprises a vacuum chamber 26 at the feed pressure Palim and whose inlet 27 is intended to be connected to a vacuum pump (not shown), an outlet chamber 28 to the pressure Psor with the outlet 23, a chamber 29 placed at the external pressure Pext through an inlet 30 opening out of the valve and a magnetic circuit 31 comprising a solenoid 32 surrounding a movable magnetic core 33 and an electrical connection 34 for receiving an electrical signal as a voltage level U.
  • the outer wall 35 of the valve partially delimits the different chambers.
  • a valve 36 and a membrane 37 separate the different chambers between them: the chamber 29 at the external pressure Pext, the outlet chamber 28 at the pressure Psor and the vacuum chamber 26 at the feed pressure Palim.
  • a nozzle 38 separates the vacuum chamber 26 from the outlet chamber 28.
  • a draining spring 49 is interposed between the wall 35 of the valve and the core 33. Opposite the spring 49, a return spring 39 is filled between the valve 36 and the core 33. The spring 39 is prestressed.
  • a passage 48 is formed at the top of the core 33 so as to allow a permanent air flow between the chamber 29 to external pressure Pext and the outlet chamber 28 at the pressure Psor, the latter being always less than Pext.
  • the passage 48 is relatively narrow, so that the flow rate between said chambers may be referred to as "leakage rate”, referred to as Qf, and the passageway 48 may be called a "leakage passage”.
  • the capsule 22 is composed of two chambers: an outlet chamber 40 communicating with the outlet chamber 28 of the valve through the pipe 25 and a chamber 41 having an inlet 42 communicating with the outside of the actuator.
  • the chamber 40 is therefore at the outlet pressure Psor and the chamber 41 is at the external pressure Pext (which is close to atmospheric pressure or equal to this pressure).
  • the two chambers 40 and 41 are separated by a flexible membrane 43.
  • a control rod 44 (control rod of the actuator) has an end 45 integral with the membrane 43, its other end 46 being connectable to an apparatus, by example a turbocharger or an EGR valve.
  • a spring 47 for returning the actuator tends to move the control rod 44 downwards.
  • the solenoid valve 21 is advantageously of the proportional pressure type (at least over a certain range of the control signal U). It behaves as a pressure-controlled system, the output pressure Psor being proportional to the voltage level U applied to the connection 34. This is illustrated in FIG. 2 which shows the static evolution of the pressure. Psor (in mbar) as a function of U (in volts), (for a Palim supply pressure of 200 mbar and an external pressure Pext of 1000 mbar), except that at startup for low voltages U the solenoid valve is not proportional. This is due to the fact that the filled return spring 39 is prestressed. For voltage levels ranging from 0 to about 2 volts, there is a dead zone 50, followed by a linearity zone 51.
  • FIG. 3 In Figure 3 are illustrated the different forces in the solenoid valve 21.
  • the control voltage U creates an electromagnetic force Fu which tends to lower the core 33, the spring 49 giving rise to a force of FRv reminder in the opposite direction to Fu.
  • the supply pressure Palim creates on the nozzle 38 a feed force Falim which is equal to Palim * nozzle surface.
  • the membrane 37 is subject to two opposing forces: a FPsor force on the upper surface of the membrane, equal to PSOR * upper membrane surface and a FPext force on the lower surface of the membrane, equal to Pext * lower membrane surface.
  • the return spring in filling gives rise to a force FRr.
  • Kv being the stiffness of the draining spring
  • the displacement of the nucleus is therefore proportional to the equilibrium difference between the electromagnetic force aU and the pressure difference (Pext - Psor) applied to both sides of the membrane.
  • the displacement of the core is therefore proportional to the equilibrium difference between the electromagnetic force and the pressure difference across the membrane if the preload of the return spring is filled.
  • FIG. 4 shows the different airflows that can occur in the actuator:
  • the leakage rate Qf at equilibrium, the outlet pressure Psor is equal to the set pressure (proportional to U). There is no air flow in or out of the actuator. However, given the existence of the leakage passage 48, a leakage flow Qf occurs between the external pressure chamber Pext and the outlet chamber at the pressure Psor.
  • the leakage rate Qf is a function of the section of the leakage passage 48 and the pressure difference (Pext-Psor).
  • the filling rate Qr if the level U of the control signal decreases, the magnetic core 33 rises; the nozzle then presses on the valve and compresses the filling return spring 39.
  • the valve opens and a filling air flow Qr is established between the external pressure chamber Pext 29 and the outlet pressure chamber Psor 28 which increases the Psor pressure and decreases the gap (Pext - Psor).
  • the core 33 can then go down and the valve closes. It is necessary that the level U decreases sufficiently to overcome the force due to the preload of the return spring in filling 39. If this is not the case, then one is in the dead zone 50 of FIG. 2, zone during which the valve remains closed while Psor is not in equilibrium with Pext.
  • the operation of the actuator is proportional, that is to say that the displacement of the control rod 44 is proportional to the U level of the control signal.
  • the air flow Qa it is the air flow in the pipe 25, the outlet chamber 28 to the chamber 40 of the capsule.
  • FIG. 5 illustrates the characteristic response, as a function of time t, of the output pressure Psor to a control signal U in the form of a step 54.
  • Curve 56 in solid line represents the pressure Pdif obtained.
  • the methods of the invention are shown schematically in Figure 6.
  • the frame 60 defines the process steps for determining the differential pressure Pdif and the frame 66 defines the steps of the method for determining the position Pos of the control rod .
  • the air flow rate Qa (operation 61: “calculation of the air flow rate in the actuator") is determined, then the pressure Pdif (operation 62: “calculation of the pressure in the actuator"), then the balance control from the static characteristic of the solenoid valve (operation 63).
  • the difference Dcde (reference 70) between the control level U and the equilibrium control level the equilibrium control level being the image of the position of the core, and therefore the image of the passage sections. air in the actuator.
  • the calibration of the mapping 83 of (Psor, Psor / Palim) can be calculated from the equations of the ISO 6358. This mapping can be recaled from data obtained with an instrumented actuator.
  • the calibration of the mapping 93 of (Pext, Psor / Pext) can be calculated from the equations of the ISO 6358. This mapping can be recaled from data obtained with an instrumented actuator.
  • FIG. 10 illustrates the principle of calculating the leakage rate Qf, which is obtained by means of mapping (Pext, Psor / Pext) (reference 100) which can be written as:
  • the calibration of the mapping 100 of (Pext, Psor / Pext) can be calculated from the equations of the ISO 6358. This mapping can be recaled from data obtained with an instrumented actuator.
  • the calculation of the pressure in the actuator (calculation 62 in FIG. 6) is shown diagrammatically in FIG. This calculation, which makes it possible to obtain Pdif, is performed from the air flow Qa entering the capsule and the volume V of the capsule. This volume is the sum of the volumes of the outlet chamber 28 (FIG. 1), the pipe 25 and the chamber 40 of the capsule 22. According to the law of perfect gases:
  • the pressure Pdif is therefore equal to:
  • the calculation of the position of the rod of the actuator Pos (64 in FIG. 6) is shown diagrammatically in FIG. 12. This calculation is made from Pdif, of the external force Fext exerted on the rod of the actuator and a two-dimensional mapping 120 Pdif and Fext, taking into account the dynamics of the actuator in a low-pass filter 121 of the first order, with a filtering time constant Taud (it is the assumption that the mass-spring system, constituted by the magnetic core and the return spring in filling, is well damped).
  • the mapping of the static position of the actuator and the time constant Taud can be calibrated from tests [scans (Pdif, Fext)].
  • the calculation of the volume V (65 in FIG. 6) is performed (FIG. 13) using the calculated pos position of the actuator rod via a one-dimensional mapping 130.
  • This mapping can be determined from the geometry data of the capsule according to the position Pos of the rod.
  • the determination of the "static characteristic of the solenoid valve" (step 63 in FIG. 6) is shown diagrammatically in FIG. 14. From Pext and Pdif, the equilibrium control associated with a mapping 140 to 140 is obtained. two dimensions. The mapping 140 can be determined from the solenoid valve supplier data or by tests (Pext scan, Pdif).
  • Figure 15 illustrates all the steps that have been previously discussed. These steps are framed in dotted lines and each frame corresponds to a figure (the reference of each figure is indicated in FIG. 15). Figure 15 shows in detail the steps of Figure 6.
  • the differential pressure is first calculated

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Abstract

L'invention concerne un procédé de détermination de la pression différentielle Pdif exercée sur la tige de commande (44) d'un actionneur (20) comprenant une électrovanne pneumatique (21) commandant le déplacement de ladite tige en fonction d'un signal de commande et une capsule (22) munie de la tige (44). Selon l'invention, on détermine le débit d'air Qa dans la chambre de sortie (28) de l'actionneur, en fonction de la pression extérieure Pext, de ladite commande et d'une commande d'équilibre qui caractérise la position du noyau magnétique (33) de ladite vanne; et, en fonction du débit d'air Qa, de la pression extérieur Pext et du volume de la chambre de sortie (28), on détermine ladite pression différentielle Pdif. L'invention concerne également un procédé de détermination de la position Pos de la tige de commande dudit actionneur.

Description

PROCEDE DE DETERMINATION DE LA PRESSION DIFFERENTIELLE
EXERCEE SUR LA TIGE DE COMMANDE D'UN ACTIONNEUR ELECTROPNEUMATIQUE ET PROCEDE DE DETERMINATION DE LA
POSITION DE LADITE TIGE.
[0001 ] La présente invention concerne un procédé de détermination de la pression différentielle exercée sur la tige de commande d'un actionneur électropneumatique. L'invention concerne aussi un procédé de détermination de la position de ladite tige.
[0002] Les actionneurs électropneumatiques concernés sont généralement composés d'une électrovanne pneumatique (qui peut être proportionnelle, c'est-à-dire fournissant une pression de sortie proportionnelle à un signal de commande) et d'une capsule pneumatique, munie d'une tige de commande et d'un ressort de rappel, l'actionneur permettant de transformer la pression de sortie de la vanne en mouvement de translation de ladite tige de commande. Ladite capsule peut être reliée à l'électrovanne par une conduite ou intégrée à l'électrovanne pour former un ensemble compact. Des actionneurs de ce type sont couramment utilisés dans l'industrie automobile pour actionner par exemple des turbocompresseurs, des vannes EGR et des doseurs d'air dans des boucles de régulation de pression ou de débit d'air. Un capteur de position est parfois ajouté à la tige de l'actionneur afin de réaliser une régulation de pression ou de débit d'air.
[0003] Le type d'électrovanne concerné par la présente invention est par exemple décrit dans la demande de brevet FR2890431 ou DE4205565.
[0004] Au lieu d'utiliser des capteurs, par exemple un capteur de pression pour mesurer la pression différentielle en sortie de l'actionneur ou un capteur de position pour mesurer la position de la tige de l'actionneur, il est plus économique de modéliser le comportement de l'actionneur en fonction du signal de commande appliqué à l'actionneur. Cependant, la modélisation est complexe car la physique du système fait appel à de nombreuses équations et est fortement non linéaire, en particulier pour l'électrovanne. De plus, il est difficile de recaler un modèle complet qui demande des actionneurs prototypes instrumentés coûteux (en particulier pour la mesure de la position du noyau magnétique mobile de l'électrovanne). Dans le cas des boucles de régulation qui utilisent ce type d'actionneur, une bonne connaissance du modèle d'actionnement permet un gain de temps de mise au point, de meilleures performances (gain en temps de réponse et en robustesse) et éventuellement la suppression du capteur de mesure de position.
[0005] La présente invention propose un procédé permettant de déterminer la pression différentielle exercée sur la tige de commande d'un actionneur électropneumatique, ainsi que la position de ladite tige, à partir d'un nouveau modèle comportemental simplifié de l'actionneur. La pression différentielle est définie comme la différence entre la pression extérieure à l'actionneur- voisine ou égale à la pression atmosphérique - et la pression de sortie de la vanne. Le modèle simplifié utilise la pression extérieure, le signal de commande de l'électrovanne, la pression d'alimentation de l'électrovanne et l'effort extérieur appliqué à la tige de commande.
[0006] De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de détermination de la pression différentielle Pdif exercée sur la tige de commande d'un actionneur comprenant une électrovanne pneumatique commandant le déplacement de ladite tige de commande en fonction d'un signal de commande U, ladite électrovanne comportant un circuit magnétique permettant de déplacer un noyau mobile en appliquant ledit signal de commande U audit circuit magnétique, une chambre à la pression extérieure Pext dans laquelle peut se déplacer ledit noyau, une chambre de sortie à la pression de sortie Psor, une chambre à vide dans laquelle règne une pression Palim, un clapet permettant d'établir un débit d'air de remplissage Qr de ladite chambre à la pression extérieure vers ladite chambre à la pression de sortie, un gicleur permettant d'établir un débit d'air de vidange Qv entre ladite chambre à la pression extérieure et ladite chambre à vide, un passage entre ladite chambre à la pression extérieure et ladite chambre à la pression de sortie permettant un débit d'air de fuite Qf, la pression différentielle Pdif étant égale à la presson extérieure Pext moins la pression de sortie Psor,.
[0007] Selon l'invention:
- on détermine le débit d'air Qa dans ladite chambre de sortie en fonction de ladite pression Pext, de ladite commande U et d'une commande d'équilibre qui caractérise la position dudit noyau pour laquelle le débit d'air Qa est nul;
- en fonction dudit débit d'air Qa, de ladite pression extérieur Pext et du volume de ladite chambre de sortie, on détermine ladite pression différentielle Pdif.
[0008] Ledit débit d'air Qa dans ladite chambre de sortie est déterminé en calculant:
- le débit de vidange Qv,
- le débit de remplissage Qr, et
- le débit de fuite Qf.
[0009] Détermination de Qv:
Ledit débit de vidange Qv est calculé en déterminant l'écart Dcde entre ladite commande U et ladite commande d'équilibre et
- si ledit écart Dcde est < 0 alors Qv=0 et
- si ledit écart Dcde est supérieur à 0, Qv est déterminé en prenant la valeur la plus faible entre Qvmax et une valeur dépendant dudit écart Dcde et d'une valeur dépendante de ladite pression Psor et de ladite pression Palim.
Si Dcde est supérieur à 0, Qv est déterminé à partir de la relation:
Figure imgf000005_0001
[00010] * Détermination de Qr:
ladite électrovanne comprenant un ressort de rappel en remplissage précontraint, ledit débit de remplissage Qr est déterminé en comparant l'écart Dcde entre ladite commande U et ladite commande d'équilibre avec une valeur (-Seuil) qui caractérise la précontrainte dudit ressort, et
- si Dcde est supérieur à (-Seuil), alors Qr = 0 et - si Dcde est inférieur à (-Seuil), alors Qr est déterminé à l'aide de la relation:
Psor\
Qr = Min([Dcde + Seuil] x Cartographie I Pext, -— j , QrMax)
[0001 1 ] * Détermination de Qf :
ledit débit de fuite Qf est déterminé à l'aide d'une cartographie fonction de ladite pression extérieure Pext et du rapport de ladite pression de sortie Psor à ladite pression extérieure Pext.
[00012] L'invention concerne également un procédé de détermination de la position Pos de ladite tige de commande dudit actionneur, c'est-à-dire d'une tige de commande d'un actionneur comprenant une électrovanne pneumatique commandant le déplacement de ladite tige de commande en fonction d'un signal de commande U, ladite vanne comportant un circuit magnétique permettant de déplacer un noyau mobile en appliquant ledit signal de commande U audit circuit, une chambre à la pression extérieure Pext dans laquelle peut se déplacer ledit noyau, une chambre de sortie à la pression Psor, une chambre à vide dans laquelle règne une pression Palim, un clapet permettant d'établir un débit d'air de remplissage Qr de ladite chambre à la pression extérieure vers ladite chambre à la pression de sortie, un gicleur permettant d'établir un débit d'air de vidange Qv entre ladite chambre à la pression extérieure et ladite chambre à vide, un passage entre ladite chambre à la pression extérieure et ladite chambre à la pression de sortie permettant un débit d'air de fuite Qf,
[00013] . Selon ledit procédé:
- on détermine ladite pression différentielle Pdif exercée sur ladite tige de commande comme indiqué précédemment,
- on détermine la position dudit actionneur à l'aide d'une cartographie fonction de ladite pression différentielle Pdif et de l'effort Fext exercé sur ladite tige de commande, et
-on recalcule la position de ladite tige en prenant en compte la variation du volume de ladite chambre de sortie pour la détermination dudit débit d'air Qa. [00014] Ladite position obtenue à l'aide de ladite cartographie est filtrée par un filtre passe-bas du premier ordre afin de tenir compte de la dynamique dudit actionneur.
[00015] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés et sur lesquels :
- la figure 1 montre, schématiquement et en coupe, un actionneur composé d'une électrovanne électropneumatique et d'une capsule pneumatique;
- la figure 2 montre l'évolution de la pression de sortie (en mbar) Psor de l'électrovanne en fonction de la tension de commande U appliquée à l'électrovanne;
- la figure 3 représente schématiquement les différentes forces dans la vanne;
- la figure 4 montre les différents débits d'air dans l'actionneur;
- la figure 5 montre la réponse caractéristique de la pression de sortie Psor en réponse à un signal de commande U en forme d'échelon;
- la figure 6 représente, schématiquement et sous forme de blocs, les procédés de l'invention;
- la figure 7 représente schématiquement le principe du calcul du débit d'air Qa vers la capsule;
- les figures 8, 9 et 10 représentent schématiquement le principe du calcul, respectivement, du débit de vidange Qv, du débit de remplissage Qr et du débit de fuite Qf;
- la figure 1 1 représente schématiquement le principe du calcul de la pression différentielle Pdif dans l'actionneur;
- la figure 12 représente schématiquement le principe du calcul de la position Pos de la tige de commande de l'actionneur; - la figure 13 représente schématiquement le principe du calcul du volume de la capsule;
- la figure 14 représente schématiquement le principe du calcul de la commande d'équilibre; et - la figure 15 représente schématiquement l'ensemble des différentes étapes des procédés de l'invention.
[00016] L'actionneur électropneumatique 20, représenté schématiquement et en coupe sur la figure 1 , est composé d'une électrovanne pneumatique 21 et d'une capsule pneumatique de commande 22, la sortie 23 de l'électrovanne étant reliée à l'entrée 24 de la capsule par une canalisation 25. L'électrovanne est de préférence du type proportionnel en pression. L'électrovanne 21 comporte une chambre à vide 26 à la pression d'alimentation Palim et dont l'entrée 27 est destinée à être connectée à une pompe à vide (non représentée), une chambre de sortie 28 à la pression Psor avec la sortie 23, une chambre 29 placée à la pression extérieure Pext grâce à une entrée 30 débouchant à l'extérieur de la vanne et un circuit magnétique 31 comprenant un solénoïde 32 entourant un noyau magnétique mobile 33 et une connexion électrique 34 destinée à recevoir un signal électrique de commande sous forme d'une tension de niveau U. La paroi extérieure 35 de la vanne délimite en partie les différentes chambres. Un clapet 36 et une membrane 37 séparent entre elles les différentes chambres: la chambre 29 à la pression extérieure Pext, la chambre de sortie 28 à la pression Psor et la chambre à vide 26 à la pression d'alimentation Palim. De plus, un gicleur 38 sépare la chambre à vide 26 de la chambre de sortie 28.
[00017] Un ressort de rappel de vidange 49 est interposé entre la paroi 35 de la vanne et le noyau 33. A l'opposé du ressort 49, un ressort de rappel en remplissage 39 est interposé entre le clapet 36 et le noyau 33. Le ressort 39 est précontraint.
[00018] Un passage 48 est réalisé à la partie supérieure du noyau 33 de façon à permettre un débit d'air, permanent, entre la chambre 29 à pression extérieure Pext et la chambre de sortie 28 à la pression Psor, cette dernière étant toujours inférieure à Pext. Le passage 48 est relativement étroit, de sorte que le débit entre lesdites chambres peut être qualifié de "débit de fuite", désigné par Qf, et le passage 48 peut être appelé "passage de fuite".
[00019] La capsule 22 est composée de deux chambres: une chambre de sortie 40 communiquant avec la chambre de sortie 28 de la vanne par la canalisation 25 et une chambre 41 ayant une entrée 42 communiquant avec l'extérieur de l'actionneur. La chambre 40 est donc à la pression de sortie Psor et la chambre 41 est à la pression extérieure Pext (qui est voisine de la pression atmosphérique ou égale à cette pression). Les deux chambres 40 et 41 sont séparées par une membrane souple 43. Une tige de commande 44 (tige de commande de l'actionneur) a une extrémité 45 solidaire de la membrane 43, son autre extrémité 46 pouvant être reliée à un appareil, par exemple un turbocompresseur ou une vanne EGR. Un ressort 47 de rappel de l'actionneur tend à déplacer la tige de commande 44 vers le bas.
[00020] L'électrovanne 21 est avantageusement du type proportionnel en pression (au moins sur une certaine plage du signal de commande U). Elle se comporte comme un système asservi en pression, la pression de sortie Psor étant proportionnelle au niveau U de tension appliqué à la connexion 34. C'est ce qu'illustre la figure 2 qui montre l'évolution, en statique, de la pression Psor (en mbar) en fonction de U (en Volt), (pour une pression d'alimentation Palim de 200 mbar et une pression extérieure Pext de 1000 mbar), sauf qu'au démarrage pour des faibles tensions U l'électrovanne n'est pas proportionnelle. Ceci est dû au fait que le ressort de rappel en remplissage 39 est précontraint. Pour des niveaux de tension variant de 0 à environ 2 Volts, on a une zone morte 50, suivie par un zone de linéarité 51 .
[00021 ] Sur la figure 3 sont illustrées les différentes forces dans l'électrovanne 21 . Sont représentés le noyau magnétique 33, le gicleur 38, le clapet 36, la membrane 37, le ressort de rappel en remplissage 39 et le ressort de rappel en vidange 49. La tension U de commande crée une force électromagnétique Fu qui tend à abaisser le noyau 33, le ressort 49 donnant lieu à une force de rappel FRv en sens opposé à Fu. La pression d'alimentation Palim crée sur le gicleur 38 une force d'alimentation Falim qui est égale à Palim * surface du gicleur. La membrane 37 est soumise à deux forces opposées: une force FPsor, sur la surface supérieure de la membrane, égale à Psor * surface membrane supérieure et une force FPext, sur la surface inférieure de la membrane, égale à Pext * surface membrane inférieure. Le ressort de rappel en remplissage donne lieu à une force FRr. La position x du noyau 33 est repérée selon l'axe 52 à partir de la position représentée par la ligne en pointillés 53 (pour x=0), position qui correspond à l'état initial de la vanne.
[00022] En faisant le bilan statique des forces, on peut montrer que: - si x est positif: a. U— S. (Pext - Psor)
Avec : Fu = aU;
Kv étant la raideur du ressort de rappel de vidange; et
S la surface de la membrane inférieure ou supérieure (les deux surfaces étant égales).
Le déplacement du noyau est donc proportionnel à l'écart d'équilibre entre la force électromagnétique a.U et la différence de pression (Pext - Psor) appliquée sur les deux faces de la membrane.
- si x est négatif, on peut montrer que: a. U— S. (Pext - Psor) F0
X ~ Kv + Kr Kv + Kr F0 étant la force due à la précontrainte du ressort de rappel en remplissage et Kr étant la raideur du ressort de rappel en remplissage.
Le déplacement du noyau est donc proportionnel à l'écart d'équilibre entre la force électromagnétique et la différence de pression aux bornes de la membrane si la précontrainte du ressort de rappel en remplissage est franchie.
[00023] En fonctionnement, si U augmente, Fu augmente ce qui fait descendre le noyau et débouche le gicleur 38. Il en résulte que Psor diminue ce qui tend à faire remonter le noyau et fermer le gicleur. Ce fonctionnement est linéaire. Si U diminue, le noyau monte, le gicleur appuie sur le clapet ce qui comprime le ressort de rappel en remplissage 39. Cependant, du fait de l'existence du passage de fuite 48 entre la chambre à pression extérieure 29 et la chambre à pression de sortie 28, la pression Psor augmente et donc la différence (Pext - Psor) diminue: il en résulte que le noyau redescend et ferme le clapet. Lorsque U diminue, le noyau ne remonte que si la force due à la précontrainte du ressort de rappel en remplissage est contrebalancée par un niveau de commande U prédéterminé: il y a donc un effet de seuil.
[00024] Sur la figure 4 sont représentés les différents débits d'air qui peuvent se produire dans l'actionneur:
- le débit de fuite Qf: à l'équilibre, la pression de sortie Psor est égale à la pression de consigne (proportionnelle à U). Il n'y a pas de débit d'air qui entre ou qui sort de l'actionneur. Cependant, étant donné l'existence du passage de fuite 48, un débit de fuite Qf se produit entre la chambre à la pression extérieure Pext et la chambre de sortie à la pression Psor. Le débit de fuite Qf est fonction de la section du passage de fuite 48 et de la différence de pression (Pext- Psor).
- le débit de vidange Qv: pour un niveau élevé U du signal de commande, le noyau magnétique 33 descend ce qui ouvre le gicleur et met en communication la chambre de sortie 28 (et la chambre 40 de la capsule) avec la chambre à vide 26. L'air présent dans la chambre 28 et la chambre 40 est aspiré, ce qui vide lesdites chambres avec un débit Qv. La pression de sortie Psor diminue, ce qui provoque la remontée du noyau jusqu'à la fermeture du gicleur (équilibre atteint).
- le débit de remplissage Qr: si le niveau U du signal de commande diminue, le noyau magnétique 33 monte; le gicleur appuie alors sur le clapet et comprime le ressort de rappel en remplissage 39. Le clapet s'ouvre et un débit d'air de remplissage Qr s'établit entre la chambre à pression extérieur Pext 29 et la chambre à pression de sortie Psor 28 ce qui augmente la pression Psor et diminue l'écart (Pext - Psor). Le noyau 33 peut alors descendre et le clapet se ferme. Il faut que le niveau U diminue suffisamment pour vaincre la force due à la précontrainte du ressort de rappel en remplissage 39. Si ce n'est pas le cas, on se trouve alors dans la zone morte 50 de la figure 2, zone pendant laquelle le clapet reste fermé alors que Psor n'est pas en équilibre avec Pext. Lorsque le niveau U diminue suffisamment pour vaincre la force due à la précontrainte du ressort de rappel en remplissage 39, le fonctionnement de l'actionneur est proportionnel, c'est-à- dire que le déplacement de la tige de commande 44 est proportionnel au niveau U du signal de commande.
- le débit d'air Qa: c'est le débit d'air dans la canalisation 25, de la chambre de sortie 28 vers la chambre 40 de la capsule.
[00025] La figure 5 illustre la réponse caractéristique, en fonction du temps t, de la pression de sortie Psor à un signal de commande U en forme d'échelon 54. La courbe 55 en pointillés est la consigne de pression différentielle Pdif qui est égale à la pression extérieure Pext moins la pression de sortie Psor, c'est-à-dire Pdif = (Pext - Psor). La courbe 56 en trait plein représente la pression Pdif obtenue.
[00026] Si la commande U augmente, Pdif augmente rapidement vers la consigne (réponse proche d'un premier ordre, ou proche d'un second ordre avec un amortissement > 0.7). Si la commande U diminue brutalement, la pression de sortie évolue en deux temps: rapidement durant la première phase 57 (remplissage via la section de passage en remplissage) puis lentement (58) avec une vitesse quasi constante (remplissage via le passage de fuite). Si la commande U diminue faiblement, la première phase 57 peut être très rapide. Le temps de convergence vers la valeur finale est beaucoup plus long en remplissage qu'en vidange
[00027] Les procédés de l'invention sont représentés schématiquement sur la figure 6. Le cadre 60 délimite les étapes du procédé pour déterminer la pression différentielle Pdif et le cadre 66 délimite les étapes du procédé pour déterminer la position Pos de la tige de commande.
[00028] Selon l'invention, on commence par déterminer Pdif. Pour cela on détermine le débit d'air Qa (opération 61 : "calcul du débit d'air dans l'actionneur"), puis la pression Pdif (opération 62: "calcul de la pression dans l'actionneur"), puis la commande d'équilibre à partir de la caractéristique statique de l'électrovanne (opération 63). La commande d'équilibre peut être vu comme la commande où l'électrovanne ne réalise plus d'action de vidange ou de remplissage de l'actionneur, c'est-à-dire la commande pour laquelle la position du noyau est dite à l'équilibre, donc telle que Qa = 0.
[00029] Le calcul du débit Qa de la chambre 28 de la vanne vers la chambre 40 de la capsule (opération 61 de la figure 6) est représenté schématiquement sur la figure 7. Sur cette figure, on détermine:
- l'écart Dcde (référence 70) entre le niveau U de commande et le niveau de commande d'équilibre, le niveau de commande d'équilibre étant l'image de la position du noyau, et donc l'image des sections de passage de l'air dans l'actionneur.
- le rapport des pressions entre la pression de sortie Psor et la pression d'alimentation Palim (référence 71 ).
- le rapport des pressions entre la pression extérieur Pext et la pression de sortie Psor (référence 72).
- le débit de vidange Qv (référence 73; calcul illustré par la figure 8), le débit de remplissage Qr (référence 74; calcul illustré par la figure 9), et le débit de fuite Qf (référence 75; calcul illustré par la figure 10),
- le bilan Qa (référence 76) des sources de débits d'air arrivant à l'actionneur, bilan défini par Qa = Qf - Qr - Qv
[00030] Le calcul du débit de vidange Qv est illustré sur la figure 8:
- si l'écart de commande Dcde est < 0, alors Qv = 0 - si l'écart de commande Dcde est supérieur à 0, on choisit la valeur la plus faible entre (Dcde * cartographie (Psor,Psor/Palim) et une constante Qvmax qui dépend de la section de passage du gicleur, ce qui peut s'écrire:
Psor \
Qv = Min(Dcde x Cartographie ( Psor, p H 1 , QvMax)
L'élément 80 sélectionne entre ses deux entrées 81 et 82: si Dcde est supérieur à 0 alors l'entrée 81 est sélectionnée pour le résultat de Qv et si Dcde < 0 alors l'entrée 82 est sélectionnée (Qv = 0).
La calibration de la cartographie 83 de (Psor, Psor/Palim) peut être calculée à partir des équations de la norme ISO 6358. Cette cartographie peut être recalée à partir de données obtenues avec un actionneur instrumenté.
[00031 ] La figure 9 représente schématiquement le principe du calcul du débit de remplissage Qr. Si l'écart de commande Dcde est supérieur à une valeur de (-Seuil), alors le système 90 choisit son entrée 91 , c'est-à-dire Qr = 0. La valeur de Seuil caractérise la précontrainte du ressort de rappel en remplissage 39. Si l'écart Dcde est inférieur à la valeur de (-Seuil), (c'est- à-dire si la précontrainte du ressort de rappel en remplissage 39 est dépassée), alors l'élément 90 choisit la valeur présente sur son entrée 92 qui est donnée par l'équation suivante: Qr = Min([Dcde + Seuil] x
Psor\
Cartographie ( Pext, 1 , QrMax)
La calibration de la cartographie 93 de (Pext, Psor/Pext) peut être calculée à partir des équations de la norme ISO 6358. Cette cartographie peut être recalée à partir de données obtenues avec un actionneur instrumenté.
[00032] La figure 10 illustre le principe du calcul du débit de fuite Qf, qui est obtenu à l'aide de la cartographie (Pext, Psor/Pext) (référence 100) ce qui peut s'écrire:
Psor\
Qf = Cartographie ( Pext, -— -J
La calibration de la cartographie 100 de (Pext, Psor/Pext) peut être calculée à partir des équations de la norme ISO 6358. Cette cartographie peut être recalée à partir de données obtenues avec un actionneur instrumenté Le calcul de la pression dans l'actionneur (calcul 62 sur la figure 6) est représenté schématiquement par la figure 1 1 . Ce calcul, qui permet d'obtenir Pdif, est effectué à partir du débit d'air Qa entrant dans la capsule et le volume V de la capsule. Ce volume est la somme des volumes de la chambre de sortie 28 (figure 1 ), de la canalisation 25 et de la chambre 40 de la capsule 22. Selon la loi des gaz parfaits:
PV = nRT
V
dP RT dn d 1
<=>—— = — + nRT -— car transformation supposée adiabatique
dt V dt dt V n
On néglige la dynamique de variation de volume durant le déplacement de la tige de l'actionneur, car la variation de volume est beaucoup plus lente que la variation de pression:
dP RT dn
— «
dt V dt
K .
^ p = - / Qair
V
La pression Pdif est donc égale à:
Pdif = K/V J Qa
[00033] Le calcul de la position de la tige de l'actionneur Pos (64 sur la figure 6) est représenté schématiquement sur la figure 12. Ce calcul est effectué à partir de Pdif, de la force extérieure Fext exercée sur la tige de l'actionneur et d'une cartographie 120 à deux dimensions Pdif et Fext, en prenant en compte la dynamique de l'actionneur dans un filtre 121 passe-bas du premier ordre, avec une constante de temps de filtrage Taud (on fait l'hypothèse que le système masse-ressort, constitué par le noyau magnétique et le ressort de rappel en remplissage, est bien amorti). La cartographie de la position statique de l'actionneur et la constante de temps Taud peuvent être calibrées à partir d'essais [balayages (Pdif, Fext)].
[00034] Le calcul du volume V (65 sur la figure 6) est effectué (figure 13) à l'aide de la position Pos calculée de la tige de l'actionneur via une cartographie 130 à une dimension. Cette cartographie peut être déterminée à partir des données de la géométrie de la capsule en fonction de la position Pos de la tige.
[00035] La détermination de la "caractéristique statique de l'électrovanne" (étape 63 sur la figure 6) est schématisée sur la figure 14. A partir de Pext et Pdif, on obtient la commande d'équilibre associée à une cartographie 140 à deux dimensions. La cartographie 140 peut être déterminée à partir des données du fournisseur de l'électrovanne ou par des essais (balayage Pext, Pdif).
[00036] La figure 15 illustre l'ensemble des étapes qui ont été précédemment exposées. Ces étapes sont encadrées en pointillés et chaque cadre correspond à une figure ( la référence de chaque figure est indiquée sur la figure 15). La figure 15 représente en détails les étapes de la figure 6.
[00037] Selon l'invention, on calcule d'abord la pression différentielle
Pdif qui s'exerce sur la tige de l'actionneur, en négligeant les éventuelles variations de volume V. Ensuite, on peut calculer la position Pos de la tige de l'actionneur ce qui conduit à une nouvelle valeur du volume V qui est utilisée pour les pas de calculs suivants.
[00038] On remarquera que Pdif = Pext - Psor et comme Pext est une constante, la détermination de Psor, à partir de Pdif, est quasiment immédiate.

Claims

REVENDICATIONS
Procédé de détermination de la pression différentielle Pdif exercée sur la tige de commande (44) d'un actionneur (20) comprenant une électrovanne pneumatique (21 ) commandant le déplacement de ladite tige de commande en fonction d'un signal de commande U, ladite électrovanne comportant un circuit magnétique (31 ) permettant de déplacer un noyau mobile (33) en appliquant ledit signal de commande U audit circuit, une chambre (29) à la pression extérieure Pext dans laquelle peut se déplacer ledit noyau, une chambre de sortie (28) à la pression de sortie Psor, une chambre à vide (26) dans laquelle règne une pression Palim, un clapet (36) permettant d'établir un débit d'air de remplissage Qr de ladite chambre à la pression extérieure vers ladite chambre à la pression de sortie, un gicleur (38) permettant d'établir un débit d'air de vidange Qv entre ladite chambre à la pression extérieure et ladite chambre à vide, un passage (48) entre ladite chambre à la pression extérieure et ladite chambre à la pression de sortie permettant un débit d'air de fuite Qf, la pression différentielle Pdif étant égale à la presson extérieure Pext moins la pression de sortie Psor, ledit procédé étant caractérisé en ce que:
- on détermine le débit d'air Qa dans ladite chambre de sortie(28) en fonction de ladite pression Pext, de ladite commande U et d'une commande d'équilibre qui caractérise la position dudit noyau pour laquelle le débit d'air Qa est nul;
- en fonction dudit débit d'air Qa, de ladite pression extérieur Pext et du volume de ladite chambre de sortie, on détermine ladite pression différentielle Pdif.
Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit débit d'air Qa dans ladite chambre de sortie (28) est déterminé en calculant:
- ledit débit de vidange Qv,
- ledit débit de remplissage Qr, et
- ledit débit de fuite Qf. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit débit de vidange Qv est calculé en déterminant l'écart Dcde entre ladite commande U et ladite commande d'équilibre et
- si ledit écart Dcde est < 0 alors Qv=0 et
- si ledit écart Dcde est supérieur à 0, Qv est déterminé en prenant la valeur la plus faible entre Qvmax et une valeur dépendant dudit écart Dcde et d'une valeur dépendante de ladite pression Psor et de ladite pression Palim.
Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que, si Dcde est sup de la relation:
Figure imgf000018_0001
Procédé selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que, ladite électrovanne comprenant un ressort de rappel en remplissage précontraint (39), ledit débit de remplissage Qr est déterminé en comparant l'écart Dcde entre ladite commande U et ladite commande d'équilibre avec une valeur (-Seuil) qui caractérise la précontrainte dudit ressort, et
- si Dcde est supérieur à (-Seuil), alors Qr = 0 et
- si Dcde est inférieur à (-Seuil), alors Qr est déterminé à l'aide de la relation:
Figure imgf000018_0002
Procédé selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que ledit débit de fuite Qf est déterminé à l'aide d'une cartographie fonction de ladite pression extérieure Pext et du rapport de ladite pression de sortie Psor à ladite pression extérieure Pext.
Procédé de détermination de la position Pos d'une tige de commande d'un actionneur (20) comprenant une électrovanne pneumatique (21 ) commandant le déplacement de ladite tige de commande en fonction d'un signal de commande U, ladite vanne comportant un circuit magnétique (31 ) permettant de déplacer un noyau mobile (33) en appliquant ledit signal de commande U audit circuit, une chambre (29) à la pression extérieure Pext dans laquelle peut se déplacer ledit noyau, une chambre de sortie (28) à la pression Psor, une chambre à vide (26) dans laquelle règne une pression Palim, un clapet (36) permettant d'établir un débit d'air de remplissage Qr de ladite chambre à la pression extérieure vers ladite chambre à la pression de sortie, un gicleur (38) permettant d'établir un débit d'air de vidange Qv entre ladite chambre à la pression extérieure et ladite chambre à vide, un passage (48) entre ladite chambre à la pression extérieure et ladite chambre à la pression de sortie permettant un débit d'air de fuite Qf, ledit procédé de détermination de ladite position étant caractérisé en ce que:
- on détermine ladite pression différentielle Pdif exercée sur ladite tige de commande (44) selon l'une des revendications précédentes,
- on détermine la position de ladite tige dudit actionneur à l'aide d'une cartographie (120) fonction de ladite pression différentielle Pdif et de l'effort Fext exercé sur ladite tige de commande, et
-on recalcule la position de ladite tige en prenant en compte la variation du volume (65) de ladite chambre de sortie pour la détermination dudit débit d'air Qa.
8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que ladite position obtenue à l'aide de ladite cartographie est filtrée par un filtre passe-bas du premier ordre afin de tenir compte de la dynamique dudit actionneur.
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