TITRE : Procédé de commande d'un actionneur éléctromagnétique d'un détendeur, et actionneur et détendeur configuré pour mettre en oeuvre ledit procédé

La présente invention concerne le domaine des actionneurs électromagnétiques, configurés en particulier pour actionner un détendeur à commande électronique, plus particulièrement un tel détendeur adapté pour réguler la pression d'un fluide en aval du détendeur.

Il est connu d'utiliser un actionneur électromagnétique pour actionner un détendeur. Il est en particulier connu de commander l'actionneur selon une tension déterminée pour produire une force électromagnétique donnée et obtenir ainsi un positionnement précis d'un clapet de soupape d'un détendeur, par exemple, ou d'un piston de pompe, ou pour d'autres applications de l'actionneur électromagnétique, par exemple pour le contrôle actif antivibratoire d'une structure.

La loi de commande pour les actionneurs électromagnétiques connus ne permet cependant pas d'obtenir un débit précis à partir d'une position de clapet donnée.

L'invention a donc pour but de proposer une solution à tout ou partie de ces problèmes.

A cet effet, la présente invention concerne un détendeur à commande électronique, du type comportant une vanne commandée insérée entre une source de fluide à une première pression et une sortie de fluide à une seconde pression, la seconde pression étant inférieure à la première pression, un capteur de pression adapté pour mesurer la seconde pression et un calculateur de commande adapté pour commander la vanne de telle sorte que la vanne génère une perte de charge entre la source de fluide et la sortie permettant d'asservir la seconde pression à une pression de consigne;

- la vanne commandée comprenant un actionneur adapté pour restreindre une section de passage du fluide, entre la source et la sortie de fluide, de manière à faire varier ladite section de passage,

- la restriction se faisant au moyen d'un orifice de passage du fluide et d'un organe obturateur placé dans l'axe de l'orifice et agencé pour qu'un déplacement axial de l'organe obturateur entraîne une variation de la section de passage du fluide,

- l'organe obturateur étant entraîné par l'actionneur,

- le détendeur comportant un capteur de position de l'organe obturateur, caractérisé en ce que le calculateur de commande est adapté pour faire converger, selon une première loi de commande, la position de l'organe obturateur vers une position de consigne, la position de consigne étant déterminée par une deuxième loi de commande pour faire converger la seconde pression vers la pression de consigne, sur la base d'un modèle d'un débit du détendeur, le débit du détendeur étant le débit du fluide s'écoulant à travers la section de passage entre le détendeur et la sortie de fluide, ledit modèle du débit du détendeur étant défini en fonction de la position de l'organe obturateur, ladite deuxième loi de commande étant déterminée en outre sur la base d'un modèle de la seconde pression fonction du débit du détendeur et d'un débit de consommation en aval de la sortie de fluide.

Selon un mode de réalisation, l'invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison techniquement acceptable.

Selon un mode de réalisation, la dynamique de l'organe obturateur n'est pas prise en compte, autrement dit dans lequel la première loi de commande est telle que la position de l'organe obturateur est égale à la position de consigne, et dans lequel le modèle de la seconde pression est un modèle linéaire, sans saturation du débit. Selon un mode de réalisation, le modèle linéaire sans saturation du débit est défini par l'équation :

[Math.1]

Selon un mode de réalisation, la dynamique de l'organe obturateur n'est pas prise en compte, autrement dit dans lequel la première loi de commande est telle que la position de l'organe obturateur est égale à la position de consigne, et dans lequel le modèle de la seconde pression est un modèle linéaire, avec saturation du débit.

Selon un mode de réalisation le modèle linéaire avec saturation du débit est défini par les équations :

[Math.2] Selon un mode de réalisation, la deuxième loi de commande est une loi de type proportionnelle intégrale saturée, et dans lequel le modèle de la seconde pression est un modèle linéaire avec saturation du débit.

Selon un mode de réalisation, la deuxième loi de commande, de type proportionnelle intégrale saturée, selon le modèle linéaire détermine la position de consigne selon l'équation :

[Math.4] Selon un mode de réalisation, la deuxième loi de commande est une loi de type proportionnelle intégrale saturée, et dans lequel le modèle de la seconde pression est un modèle non linéaire avec saturation du débit.

Selon un mode de réalisation, la deuxième loi de commande, de type proportionnelle intégrale saturée selon le modèle non linéaire de la seconde pression, détermine la position de consigne selon l'équation:

[Math.5]

Selon un mode de réalisation, l'actionneur est un actionneur électromagnétique à réluctance variable comprenant une armature ferromagnétique fixe, un bobinage d'aimantation solidaire de cette armature et un équipage mobile en translations alternatives, solidaire de l'organe obturateur, l'actionneur étant agencé pour qu'un déplacement de l'équipage mobile entraîne un déplacement axial de l'organe obturateur par rapport à l'orifice de passage du fluide, la première loi de commande étant déterminée pour faire converger la position vers la position de consigne en appliquant une tension aux bornes du bobinage pour produire une force magnétique désirée s'appliquant à l'équipage mobile de manière à entraîner le déplacement axial de l'organe obturateur vers la position de consigne. Selon un mode de réalisation, la première loi de commande est basée sur un premier modèle non saturé de calcul de la force magnétique désirée, le premier modèle non saturé ne prenant pas en compte une saturation magnétique de l'armature ferromagnétique. Selon un mode de réalisation, la première loi de commande est basée sur un deuxième modèle non saturé de calcul de la force magnétique désirée, le deuxième modèle non saturé prenant en compte un épanouissement des lignes de champ dans un espace compris entre l'armature ferromagnétique et l'équipage mobile.

Selon un mode de réalisation, la première loi de commande est basée sur un modèle saturé de calcul de la force magnétique, le modèle saturé prenant en compte la saturation magnétique de l'armature ferromagnétique, et un épanouissement des lignes de champ dans un espace compris entre l'armature ferromagnétique et l'équipage mobile.

Selon un mode de réalisation, le modèle saturé de calcul de la force magnétique désirée comprend une première partie du modèle applicable lorsque qu'un courant qui circule dans le bobinage d'aimantation est inférieur à un courant de saturation, et une deuxième partie du modèle applicable lorsque le courant est supérieur au courant de saturation, la deuxième partie du modèle étant identifiée à partir de mesures de la force magnétique désirée réalisées, pour différentes valeurs du courant supérieures au courant de saturation, au cours d'une phase d'identification de la deuxième partie du modèle.

Selon un mode de réalisation, la première loi de commande comprend en outre un effet intégral pour une limiter un bruit dû à une reconstruction d'une vitesse de l'organe obturateur estimée à partir de la position mesurée de l'organe obturateur.

Selon un mode de réalisation, la première loi de commande comprend en outre un effet intégral pour compenser une erreur de modélisation. Selon un mode de réalisation, le détendeur comporte en outre un dispositif élastique adapté pour rappeler l'organe obturateur dans une position telle que l'équipage mobile est distant de l'armature ferromagnétique fixe.

Selon un mode de réalisation, le détendeur comporte un dispositif de compensation au moins partielle des efforts exercés par la pression du fluide sur l'organe obturateur.

Pour sa bonne compréhension, un mode de réalisation et/ou de mise en oeuvre de l'invention est décrit en référence aux dessins ci-annexés représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation ou de mise en oeuvre respectivement d'un dispositif et/ou d'un procédé selon l'invention. Les mêmes références sur les dessins désignent des éléments similaires ou des éléments dont les fonctions sont similaires.

[Fig.l] est une représentation schématique d'un détendeur selon l'invention.

[Fig.2] est une représentation schématique plus détaillée d'un détendeur selon l'invention.

[Fig.3] est une représentation schématique d'un mode d'opération d'une loi de commande du détendeur selon l'invention.

[Fig.4] est une représentation schématique d'un premier mode d'opération simplifié de la loi de commande du détendeur selon l'invention, dans lequel le modèle de positionnement de l'actionneur est négligé.

[Fig.5] est une représentation schématique d'un deuxième mode d'opération simplifié de la loi de commande du détendeur selon l'invention.

[Fig.6] est une représentation schématique d'un troisième mode d'opération de la loi de commande du détendeur selon l'invention.

[Fig.7] est une représentation schématique du circuit magnétique de l'actionneur du détendeur selon l'invention. Comme cela est illustré sur la figure 1, un détendeur Ί de pression est un dispositif Ί utilisé pour détendre un fluide contenu dans un réservoir ou une source 2 à une première pression RΊ, typiquement très élevée, vers une sortie 3 configurée pour déboucher en aval du dispositif Ί dans un autre réservoir 4 à une pression P2 plus faible, par exemple quelques bars ou dizaines de bars, selon les utilisations. Par exemple, dans le système de propulsion d'un lanceur spatial, le fluide pourra être de l'hélium contenu dans la source 2 à une pression RΊ de 400 bars, le détendeur Ί étant configuré pour détendre l'hélium de la source 2 vers la sortie 3 se déversant dans une cavité 4 d'un réservoir de combustible 5 de manière à maintenir ledit combustible 5 à une pression P2 de quelques bars, en amont d'une chambre de combustion 6.

Comme cela est illustré de manière détaillée sur la figure 2, un détendeur Ί selon un mode d'opération de l'invention comprend une vanne 10 commandée, insérée entre la source 2 de fluide à une première pression RΊ et la sortie 3 de fluide à une seconde pression P2 ; le détendeur Ί comprend en outre un capteur de pression 9 adapté pour mesurer la seconde pression P2 et un calculateur 7 de commande adapté pour commander la vanne 10 de telle sorte que la vanne génère une perte de charge entre la source de fluide et la sortie permettant d'asservir la seconde pression P2 à une pression de consigne P _ref ; la vanne 10 commandée comprend un actionneur 14 adapté pour restreindre une section de passage 11 du fluide, entre le détendeur 1 et la sortie 3 de fluide, de manière à faire varier ladite section de passage ; la restriction se faisant au moyen d'un orifice 12 de passage du fluide et d'un organe obturateur 13 placé dans l'axe de l'orifice et agencé pour qu'un déplacement axial de l'organe obturateur 13 entraîne une variation de la section de passage du fluide ; l'organe obturateur 13 étant entraîné par l'actionneur (14) ; le détendeur 1 comprend également un capteur de position 19 configuré pour mesurer une position XI de l'organe obturateur 13 le long de la direction de déplacement de l'organe obturateur 13. Comme cela est représenté sur la figure 3, le calculateur 7 de commande du détendeur Ί est adapté pour faire converger, selon une première loi de commande LC1, la position Xi de l'organe obturateur 13 vers une position de consigne Y _r , la position de consigne Y _r étant déterminée par une deuxième loi de commande LC2 pour faire converger la seconde pression P2 vers la pression de consigne P _ref , sur la base d'un modèle MD d'un débit D _¥i du détendeur 1, le débit D _COi du détendeur Ί étant le débit du fluide s'écoulant à travers la section de passage entre le détendeur Ί et la sortie 3 de fluide; ledit modèle MD du débit D _COi du détendeur Ί est défini en fonction de la position Xi de l'organe obturateur 13 ; en outre, ladite deuxième loi de commande LC2 est déterminée sur la base d'un modèle MP de la seconde pression P2, ledit modèle MP de la seconde pression P2 étant fonction du débit D _¥i du détendeur 1 et d'un débit de consommation D _s en aval de la sortie 3 de fluide ; le débit de consommation D _s en aval de la sortie 3 de fluide est, par exemple, déterminé par la consommation de combustible 5 dans la chambre de combustion en aval du réservoir 4.

Selon un exemple de réalisation, l'actionneur (14) est un actionneur électromagnétique à réluctance variable comprenant une armature (15) ferromagnétique fixe, un bobinage (16) d'aimantation solidaire de cette armature et un équipage mobile (17) en translations alternatives, solidaire de l'organe obturateur (13), l'actionneur étant agencé pour qu'un déplacement de l'équipage mobile entraîne un déplacement axial de l'organe obturateur par rapport à l'orifice (12) de passage du fluide, la première loi de commande (LCl) étant déterminée pour faire converger la position (Xi) vers la position de consigne (Y _r ) en appliquant une tension (U) aux bornes du bobinage (16) pour produire une force magnétique désirée (F _d ) s'appliquant à l'équipage mobile de manière à entraîner le déplacement axial de l'organe obturateur (13) vers la position de consigne (Y _r ).

En particulier, lorsque la dynamique de l'organe obturateur n'est pas prise en compte, autrement dit la position C _Ί de l'organe obturateur 13 est égale à la position de consigne Y _r , comme cela est illustré sur la figure 4, le modèle MP de la seconde pression P2 est par exemple un modèle linéaire, sans saturation du débit.

Plus particulièrement, le modèle linéaire sans saturation du débit est défini par l'équation :

[Math.1] dans laquelle est la dérivée temporelle de la seconde pression P2, et dans laquelle K _s est une constante.

Par exemple, sous certaines hypothèses d'écoulement d'un fluide gazeux, en régime de compression et de détente adiabatique, avec une température constante T2 du fluide dans la cavité 5 du réservoir 4, on peut établir que :

[Math. 6]

_ rT ₂ ½ où V2 est le volume du fluide dans la cavité 5 du réservoir 4, et r est la constante de gaz parfait divisée par la masse molaire du fluide gazeux.

Selon un autre exemple de réalisation, illustré sur la figure 5, la dynamique de l'organe obturateur 13 n'étant toujours pas prise en compte, autrement dit la position Xi de l'organe obturateur 13 étant toujours supposée égale à la position de consigne Y _r , le modèle MP de la seconde pression P2 est par exemple un modèle linéaire, avec saturation du débit.

Plus particulièrement, le modèle linéaire avec saturation du débit est défini par les équations :

[Math. 2] et:

[Ma

Selon ce modèle, le débit D _¥i du détendeur Ί est borné à l'intérieur d'un intervalle compris entre Dm _in et D _max.

Selon un autre exemple de réalisation, illustré à la figure 6, la deuxième loi de commande LC2 est une loi de type proportionnelle intégrale saturée, et le modèle MP de la seconde pression P2 est un modèle linéaire avec saturation du débit.

Plus particulièrement, la deuxième loi de commande LC2, de type proportionnelle intégrale saturée, détermine la position de consigne Y _r selon l'équation : dans laquelle K _p et K, sont des gains constants, et dans laquelle d est un paramètre d'un modèle MD du débit D _¥i du détendeur Ί ; selon un exemple dudit modèle MD du débit D _¥i du détendeur Ί, ledit débit D _¥i du détendeur Ί est une fonction linéaire de la position Xi de l'organe obturateur 13, définie par l'équation :

[Math. 7]

D _¥i (Xi)=c Xi+d où c est un autre paramètre de cette fonction linéaire.

Avantageusement, on choisira pour le paramètre c, une valeur égale au produit d'un premier coefficient c _s , et d'une masse volumique et d'une vitesse du fluide au col du détendeur, i.e. là où la section de passage du détendeur est la plus faible pour la position déterminée Xi de l'organe obturateur 13; on choisira en outre pour le paramètre d, une valeur égale au produit d'un deuxième coefficient d _s et de la masse volumique et de la vitesse du fluide au col du détendeur; le premier coefficient c _s et le deuxième coefficient d _s sont les deux paramètres d'une fonction linéaire affine qui représente la section de passage S _¥i du détendeur Ί en fonction d'une distance e, ou entrefer, séparant l'armature ferromagnétique 15 et l'équipage mobile 17 en translations alternatives, solidaire de l'organe obturateur 13, de sorte que :

[Math. 8]

S¥i(e)= c _s e+ d _s

Selon un autre exemple de réalisation, la deuxième loi de commande LC2 est une loi de type proportionnelle intégrale saturée, et le modèle MP de la seconde pression P2 est un modèle non linéaire avec saturation du débit.

Plus particulièrement, la deuxième loi de commande LC2, de type proportionnelle intégrale saturée, détermine la position de consigne Y _r selon l'équation : [ dans laquelle K _p et K, sont les gains constants, et dans laquelle d ₂ et c ₂ sont en particulier déterminés par les équations ci-dessous :

[Math. 9] ci=d-b ² [Math. 10] c ₂ =-c/2b [Math. 11] d ₂ =-ci/b [Math. 12] di=1/bp _COi Ccoi avec Pcoi = une masse volumique du fluide au col du détendeur, i.e. là où la section de passage du détendeur est la plus faible pour la position déterminée Xi de l'organe obturateur 13 , et Ccoi = une vitesse du fluide au col du détendeur, et où les paramètres b, c, et d sont les coefficients d'un modèle du second degré MD du débit D _¥i du détendeur Ί ; en fonction de la position Xi de l'organe obturateur 13, ledit modèle étant défini par l'équation :

[Math. 13]

D¥i(Xi)=b (Xi) ² +c Xi+d

Avantageusement, on choisira pour le paramètre c, une valeur égale au produit d'un premier coefficient c _s , et de la masse volumique p _¥i et de la vitesse C _œi du fluide au col du détendeur ; encore plus avantageusement, on choisira en outre pour le paramètre d, une valeur égale au produit d'un deuxième coefficient d _s et de la masse volumique p _¥i et de la vitesse C _œi du fluide au col du détendeur; encore plus avantageusement, on choisira pour le paramètre b, une valeur égale au produit d'un troisième coefficient b _s , et de la masse volumique p _¥i et de la vitesse Ccoi du fluide au col du détendeur; le premier coefficient c _s , le deuxième coefficient d _s , le troisième coefficient b _s , étant les coefficients d'une fonction du second degré, qui représente la section de passage S _¥i du détendeur 1 en fonction de l'entrefer e, séparant l'armature ferromagnétique 15 et l'équipage mobile 17 en translations alternatives, solidaire de l'organe obturateur 13, de sorte que :

[Math. 14]

S¥i(e)= b _s e ² +c _s e+d _s

L'entrefer e est déterminé, à une constante près, par la position Xi de l'organe obturateur 13.

La première loi de commande LCl est déterminée pour faire converger la position Xi vers la position de consigne Y _r en appliquant une tension U aux bornes du bobinage 16 pour produire une force magnétique désirée F _d s'appliquant à l'équipage mobile de manière à entraîner le déplacement axial de l'organe obturateur 13 vers la position de consigne Y _r . La force magnétique est une fonction d'un courant i qui circule dans le bobinage Ί6 d'aimantation, solidaire de l'armature ferromagnétique 15, et dépend d'une inductance L d'un circuit magnétique formé par le bobinage 16, de l'armature ferromagnétique 15 et l'équipage mobile 17. Cette inductance L dépend de l'entrefer e qui sépare l'armature ferromagnétique 15 et l'équipage mobile 17. Selon une formule connue de l'homme du métier la force magnétique F _mag créée par le circuit magnétique sur l'équipage mobile 17 peut s'écrire :

[Math. 15]

Un modèle de la force magnétique désirée est donc déterminé par un modèle correspondant de l'inductance du circuit magnétique formé par le bobinage 16 de l'armature ferromagnétique 15 et l'équipage mobile 17.

En particulier, selon un premier exemple, la première loi de commande LC1 est basée sur un premier modèle non saturé de calcul de la force magnétique désirée F _d , ledit premier modèle non saturé ne prenant pas en compte une saturation magnétique de l'armature ferromagnétique 15.

Pour être représentatif de la complexité des phénomènes magnétiques à prendre en compte, ce modèle non saturé, plus particulièrement selon un deuxième exemple, peut prendre en compte un épanouissement des lignes de champ dans un espace compris entre l'armature ferromagnétique 15 et l'équipage mobile 17.

Sur la figure 7 représentant un exemple de réalisation d'un circuit magnétique formé par le bobinage 16 de l'armature ferromagnétique 15 et l'équipage mobile 17, une ligne de champ moyenne 30 du champ magnétique créée dans le circuit magnétique par la circulation du courant dans le bobinage 16 non représenté sur la figure. Les sections Si et S ₃ représentées sur la figure 7, sont les sections d'un tube de flux magnétique dans l'air, dans l'espace de l'entrefer qui sépare l'armature ferromagnétique 15 et l'équipage mobile 17. Lesdites sections Si et S ₃ dépendent de l'entrefer pour tenir compte d'un effet d'épanouissement des lignes de champ.

Sous l'hypothèse d'une absence d'inductance de fuite, un exemple de modèle non saturé ne prenant pas en compte une saturation magnétique de l'armature ferromagnétique 15, mais prenant en compte un effet d'épanouissement des lignes de champ sera basé sur une inductance L modélisée selon la formule : [M

Dans laquelle N est un nombre de spire du bobinage 16.

Encore plus particulièrement, selon un troisième exemple, la première loi de commande est basée sur un modèle saturé de calcul de la force magnétique, le modèle saturé prend en compte la saturation magnétique de l'armature ferromagnétique 15, et un épanouissement des lignes de champ dans un espace compris entre l'armature ferromagnétique 15 et l'équipage mobile 17. Dans ce cas, l'expression de la force magnétique utilise un modèle de connaissance issu de la théorie si le courant électrique est inférieur au courant de saturation et un modèle de comportement si le courant est supérieur au courant de saturation, modélisé selon la formule :

[Math. 17] dans laquelle i _s représente un courant de saturation, dépendant de l'entrefer e, i.e. de l'espace compris entre l'armature ferromagnétique 15 et l'équipage mobile 17. Un exemple de modèle saturé prenant en compte une saturation magnétique de l'armature ferromagnétique 15, et un effet d'épanouissement des lignes de champ sera basé sur une inductance L modélisée selon la formule :

[Math. 18]

Dans laquelle :

-mo= perméabilité magnétique du vide ;

-p _r = perméabilité magnétique relative du matériau de l'armature ferromagnétique et de l'équipage mobile ;

-lp _M = épaisseur de la partie mobile en mm ;

-Sp _M =Section de la partie mobile en mm ² ;

-ICMI= épaisseur de la partie fixe 1 en mm ;

-S _CMi =Section de la partie fixe 1 en mm ² ;

-ICM2= épaisseur de la partie fixe 2 en mm ;

-S _CM 2=Section de la partie fixe 2 en mm ² ;

-ICM3= épaisseur de la partie fixe 3 en mm ;

-S _CM 3=Section de la partie fixe 3 en mm ² ;

Pour être encore plus représentatif de la réalité, le modèle saturé de calcul de la force magnétique désirée (Fd) comprend une première partie du modèle applicable lorsque que le courant i qui circule dans le bobinage 16 d'aimantation est inférieur au courant de saturation i _s , et une deuxième partie du modèle applicable lorsque le courant i est supérieur au courant de saturation i _s.

Selon la première partie du modèle saturé, la force magnétique désirée (Fd) est décrite, de préférence, par l'expression :

[Math. 19]

Selon la deuxième partie du modèle saturé, la force magnétique désirée F _d est décrite, de préférence, par une expression identifiée sur la base de mesures réalisées au cours d'une phase d'identification, pour des valeurs du courant i supérieures au courant de saturation i _s . Plus particulièrement, l'expression identifiée sur la base des mesures consiste en une interpolation entre des valeurs mesurées la force magnétique désirée F _d , enregistrées dans une table de valeurs mesurées correspondant à différentes valeurs du courant i, ou bien l'expression identifiée est une formule paramétrique dont les paramètres sont déterminés à partir des valeurs mesurées la force magnétique désirée F _d .

Plus particulièrement encore, le courant de saturation i _s est déterminé fonction de l'entrefer e selon une autre formule paramétrique identifiée sur la base de mesures.

Toutes les lois de commandes décrites ci-avant utilisent une valeur de la vitesse de l'équipage mobile 17, c'est-à-dire de l'organe obturateur 13. En l'absence de capteur de vitesse, une valeur de la vitesse est estimée par une méthode numérique à partir du signal de capteur de position. Cela introduit un bruit de reconstruction de la vitesse de l'organe obturateur. Pour limiter ledit bruit de reconstruction la première loi de commande comprend en outre une limitation du bruit par l'ajout d'un effet intégral à la première loi de commande.

Selon un exemple de réalisation, le détendeur selon l'invention comporte en outre un dispositif élastique 18 adapté pour rappeler l'organe obturateur 13 dans une position telle que l'équipage mobile 17 est distant de l'armature 15 ferromagnétique fixe.

Selon un exemple de réalisation, le détendeur selon l'invention comporte un dispositif de compensation 20, 21, 22 au moins partielle des efforts exercés par la pression du fluide sur l'organe obturateur 13.