D ' EMBRAYAGE

La présente invention se rapporte à la commande des boîtes de vitesses robotisées, équipées d'au moins un embrayage permettant d'interrompre la transmission du couple entre un moteur d'entraînement et le mécanisme de changement de vitesses de la boîte.

Plus précisément, elle a pour objet un procédé de contrôle du déplacement d'un élément de commande d'embrayage par un système d' actionnement irréversible composé d'un moteur électrique d' actionnement relié par des moyens de transmission mécaniques, à l'élément de commande d'embrayage.

Ce procédé repose sur l'envoi au moteur électrique, d'une tension de référence, qui permet à chaque instant de déplacer l'élément de commande, d'une position initiale à une position de référence .

Dans les boîtes de vitesses robotisées, la commande de l'embrayage peut être assurée par un système de pilotage électrique ou hydraulique, commandé par un calculateur. La figure 1 illustre de manière non limitative le système d' actionnement irréversible, composé d'un moteur électrique d' actionnement 1 et d'un système de transmission de mouvement composé d'un jeu de pignons (logés sous un carter 2), qui transmettent le mouvement du moteur électrique sur un système de vis-écrou 3 qui transforme le mouvement de rotation du moteur 1 en un mouvement de translation d'un câble de commande d'embrayage 4, qui « tire » sur un levier d'embrayage (non représenté) . Enfin, un ressort d'assistance 6 emmagasine l'énergie à la fermeture de l'embrayage, et la restitue en aidant à l'ouverture de l'embrayage.

Afin d'assurer une transmission maîtrisée du couple du moteur thermique à la boîte de vitesse, la position du câble doit être pilotée avec une précision de l'ordre de 0,1 mm. Or, la particularité d'un tel système d' actionnement est son irréversibilité, liée au niveau de frottement important entre la vis et l'écrou. Cette particularité permet de maintenir le système en position, en cas de coupure du pilotage du moteur électrique (chute de tension par exemple) . Mais elle pose un problème de pilotage, car sa commande n'est pas linéaire : tant que le moteur électrique ne fournit pas un niveau d'effort supérieur au frottement, le système reste immobile, mais une fois ce niveau d'effort dépassé, le système peut se mettre en mouvement très vite.

Le niveau de frottement peut atteindre 70 à 80% de l'effort maximal du moteur électrique, et peut varier en fonction de l'usure de l'embrayage, comme indiqué à titre d'exemple, sur les courbes de la figure 2. Cette figure permet de comparer les courbes d'effort (en Nm) sur la course de la butée d'embrayage (en millimètres), dans le sens de son ouverture (débrayage) et de sa fermeture (embraye) pour un embrayage à l'état neuf (courbes en traits interrompus) et pour embrayage usé (courbes en traits continus) . On constate que l'effort supplémentaire maximum à fournir avec un embrayage usé est plus importante dans le sens de la fermeture, car il faut compenser en plus l'usure du ressort de rappel, qui facilite la fermeture de l'embrayage à l'état neuf.

Lorsqu'on cherche à maîtriser la transmission du couple du moteur thermique à la boîte de vitesses, aucun dépassement de position du câble n'est admissible. Cette exigence rend l'utilisation de techniques de régulation classiques (type PID) , inadaptées pour piloter la position du câble. Un objectif de la présente invention est de déplacer le câble de l'embrayage d'une manière complètement transparente pour le conducteur lors des opérations d'embrayage et de débrayage. La précision recherchée est de 0, 005 mm. Elle doit être respectée, sans dépasser la position du câble, ni connaître l'effort que doit exercer le moteur électrique pour vaincre les frottements.

Outre ces contraintes mécaniques, la commande doit respecter des contraintes thermiques. Pour assurer la pérennité du système électrique, elle doit en particulier éviter des sollicitations trop désordonnées ou brutales du moteur 1, répondant à des sauts de tension répétés, ou au passage de courants trop importants .

Enfin, à la fin de la fermeture de l'embrayage, la phase de « léchage », où le couple du moteur thermique est transmis progressivement à la boite de vitesse, doit être la plus transparente possible, pour éviter les à-coups de couple. Le déplacement du câble de l'embrayage doit donc être piloté avec une précision de 0.005, principalement pendant dans la phase de léchage, et sans dépassement. La commande doit aussi être la plus continue possible, en évitant les forts appels de courant prolongés, dans le moteur.

L'entrée de commande est généralement une tension de référence du moteur d' actionnement . Les méthodes de calcul connues pour la tension de référence, visent à minimiser à chaque instant l'écart entre la position réelle de l'élément de commande de l'embrayage, et la position de référence qu'il doit rejoindre. Toutefois, elles génèrent le plus souvent une commande de tension discontinue, qui présente l'inconvénient de solliciter fortement l' actionneur, au risque d'entraîner des surchauffes du moteur électrique.

En résumé, les principales difficultés à surmonter pour contrôler le déplacement d'un élément de commande tel qu'un câble d'embrayage par un système d' actionnement irréversible composé d'un moteur électrique relié par des moyens de transmission mécanique à la commande d'embrayage, sont :

vaincre les frottements qui sont non linéaires, la précision statique recherchée, qui est de 0,005 mm, assurer des petits déplacements (de l'ordre de 0,1 mm) sans dépassements de position, pour éliminer les principales sources d' à-coups de couple en phase de léchage d'embrayage, et limiter les risques de surchauffe ou de casse du système électrique.

La présente invention vise à pallier ces difficultés, pour contrôler la position d'un embrayage de boîte robotisée. Dans ce but, elle propose que la tension de référence soit obtenue par intégration d'une valeur calculée de sa propre dérivée dans le temps .

De préférence, la dérivée de la tension de référence inclut un premier terme d'écart entre l'état et la consigne de position de l'élément de commande, un deuxième terme d'écart entre l'état et la consigne de sa vitesse, et un troisième terme d'écart entre l'état et la consigne de la dérivée de sa vitesse .

L'intégration du premier terme d'écart donne un terme de compensation représentant le couple résistant du système ; l'intégration du deuxième terme d'écart donne un terme proportionnel sur une erreur de position ; l'intégration du troisième terme donne un terme proportionnel sur une erreur de vitesse .

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés, sur lesquels :

la figure 1 représente un système de pilotage électrique d'embrayage,

la figure 2 met en évidence les écarts d'efforts impliqués sur une course d' ouverture et de fermeture d' embrayage selon son état, et

la figure 3 montre des courbes de position, de tension de commande et de courant moteur lors de la fermeture d'un embrayage.

Un moteur électrique tel que celui qui est illustré par la figure 1 est représenté par les équations suivantes : équation électrique du moteur

équation mécanique de déplacement de

l'embrayage, avec T _d : Couple résistant du moteur électrique (entrée exogène inconnue, considérée comme une perturbation) ;

J : Inertie du moteur électrique;

/ : Courant de l'induit du moteur électrique ;

k : Coefficient de la tension induite par le moteur électrique ; R : Résistance de l'induit du moteur électrique ;

L : Inductance de l'induit du moteur électrique ;

U ^ref Tension de référence qu'on veut appliquer aux bornes du moteur électrique, elle est comprise entre U ^min et U ^max

(typiquement, U ^max sera la tension du réseau de bord) ;

Le couple résistant du moteur électrique T _d =f(x) est une fonction de la position x du câble de l'embrayage. Il dépend de l'effort appliqué par le système vis-écrou, de l'effort du ressort de rappel, et de l'effort appliqué par le diaphragme de l'embrayage. Cet effort varie également en fonction du degré d'usure de l'embrayage. Différents capteurs mesurent la position du câble x, qui est comprise entre deux butés (position ouverte et fermée) , ainsi que la vitesse d'un point du cable de

l'embrayage. Un capteur de courant est également disponible pour fournir une mesure du courant d'induit, du moteur à courant continu .

La stratégie de commande proposée vise à déplacer le câble de l'embrayage d'une position initiale x à une position de référence x ^ref , pour satisfaire les conditions d'un parfait changement de rapport dans la boîte de vitesses, tout en assurant la tenue du système électrique. L'entrée de commande de déplacement du câble est la tension de référence du moteur électrique U ^ref qui assure ce déplacement. A partir des deux équations ci-dessus, le système par rapport à la position à réguler peut s'écrire :

Dans les méthodes de synthèse de régulateur connues, on utilise par exemple un régulateur de type proportionnel (PID) . Dans le cas présent, un tel régulateur ne s'avère pas optimal par rapport aux ordres de grandeurs du système, car le couple résistant à compenser peut être très important et impose dans ces conditions des gains trop importants. Pour obtenir une commande plus continue, l'invention propose de prendre en considération une grandeur physique supplémentaire, telle que la dérivée de la commande U ^ref . Le système peut alors s'écrire de la manière suivante :

Avec un tel système étendu, la commande principale devient la dérivée de la tension à appliquer au moteur d' actionnement . Conformément à l'invention, la tension de référence U ^ref est alors obtenue par intégration d'une valeur calculée de sa propre dérivée dans le temps. On assure ainsi une plus grande continuité de la commande synthétisée par le régulateur. De plus, la perturbation à compenser n'est plus U ^ref , mais sa dérivée, qui présente l'avantage de tendre vers zéro lorsqu'on arrête de déplacer l'embrayage. On profite de la propriété de la fonction qui ne peut pas varier à x

constant . Pour utiliser ce système étendu, on choisit de préférence une méthode qui prend en compte les gains sur les écarts entre les états et les consignes sur la position du câble sa

vitesse v - v _re f. La dérivée de la tension de référence U _re f inclut alors de préférence un premier terme d'écart entre l'état et la consigne de position de l'élément de commande un

deuxième terme d'écart entre l'état et la consigne de sa vitesse ( V _ref - v) , et un troisième terme d'écart entre l'état et la consigne de la dérivé de sa vitesse L'intégration du

premier terme d'écart donne un terme de compensation représentant le couple résistant du système, l'intégration du deuxième terme d'écart donne un terme proportionnel sur une erreur de position. L'intégration du troisième terme donne un terme proportionnel sur une erreur de vitesse. La tension de référence U _re f est alors égale à la somme des trois premiers termes proportionnels, et d'un quatrième terme additionnel proportionnel au courant I.

La théorie de Lyapunov permet par exemple de réaliser un régulateur qui réponde à ces critères, et qui présente en plus l'avantage d'avoir un unique paramètre de réglage, ce qui simplifie considérablement la phase de mise au point (MAP) du régulateur. Cette théorie est donc particulièrement appropriée. Toutefois, sans sortir du cadre de l'invention on peut utiliser d'autres méthodes de calcul performantes, pourvu que tous les termes d'écarts et les termes proportionnels ne dépendent que d'un seul paramètre de réglage.

En nommant λ le paramètre de réglage dans l'équation de Lyapunov, on obtient le régulateur suivant sur la dérivée de la tension de commande, dans lequel des gains sur l'écart de position, de vitesse et d'accélération dépendent du

seul paramètre λ :

Par intégration, on en déduit la commande de tension U _ref à appliquer :

Dans cette commande, le premier terme est proportionnel à l'intégrale de l'écart de position. Il permet de compenser le couple résistant du système T _d (que celui-ci soit dans l'état usé ou neuf) . Le deuxième terme est proportionnel à l'erreur de position. Le troisième terme est proportionnel à une erreur de vitesse. Le dernier terme, qualifié « feed-forward », sert à augmenter la dynamique de courant.

En résumé, la méthode permet contrôler le déplacement d'un élément de commande d'embrayage par un système d' actionnement irréversible composé d'un moteur électrique d' actionnement relié par des moyens de transmission mécaniques à l'élément de commande d'embrayage, en envoyant au moteur électrique une tension de référence U ^ref , qui permet à chaque instant de déplacer l'élément de commande, d'une position initiale x à une position de référence x _ref . Les différentes étapes de calcul de la commande à l'instant t sont par exemple les suivantes :

a) On reçoit l'ensemble des mesures et des consignes : I (t) , x(t), x ^ref (t) et v(t),

b) On calcule la trajectoire de référence en vitesse en dérivant la position de référence, soit x ^ref (t) = x ^ref (t)— x ^ref (t— 1) .

Ce choix de calcul de trajectoire de référence est simple, et présente différents avantages. Tout d'abord lorsque la consigne de position varie brusquement, on a une impulsion de

V]itesse x ^ref (t), ce qui signifie qu'on vise instantanément une forte vitesse qui s'annule immédiatement après, si la consigne de position ne varie pas, en limitant ainsi le risque de dépassement. C'est le cas pendant la première phase de la fermeture de l'embrayage, entre t = 0,1 et t = 0,15 sur la première courbe de la figure 3. Le deuxième avantage apparaît lorsque x ^ref (t) varie faiblement, par exemple dans la phase de léchage d'embrayage qui suit. Dans ce cas, on a une impulsion de vitesse x ^ref (t) qui permet de suivre exactement la trajectoire correspondant à x ^ref (t). Si x ^ref (t) varie de façon linéaire, on a une vitesse cible constante, qui permet de suivre au mieux l'évolution de la consigne de position.

c) On incrémente le terme de commande intégrale :

Ce terme intégral sert à compenser l'évolution du couple résistant du moteur électrique. Il est indispensable de bien séparer la compensation de ce couple, avec le couple nécessaire au suivi de trajectoire. Le couple résistant étant une fonction de la position (et non de la vitesse), il convient d'intégrer l'erreur de position pour compenser au mieux ce terme. Le couple nécessaire au maintien de la vitesse du moteur peut être calculé par la boucle sur l'erreur de vitesse, de la façon suivante : d) On met à jour les erreurs en position et en vitesse

e) On calcule la nouvelle commande à appliquer :

Le réglage du paramètre λ est obtenu par une mise en cohérence des ordres de grandeurs des termes de l'équation de l'étape 5. En réglant à 50 le paramètre λ, 1 ' implémentation de cette commande sur un système d' embrayage donne les performances illustrées à titre d'exemple par les courbes de la figure 3. Sur le premier graphe, la consigne de position de l'embrayage est en trait interrompu, et la position mesurée en trait continu. Le cas présenté est un cas de léchage de l'embrayage où il faut pouvoir réguler le plus finement possible la position pour assurer un passage le plus confortable possible pour le conducteur. On peut voir la réaction rapide de l'actionneur, lorsque la consigne passe brutalement de 0 à 4.5mm pour entamer le léchage puis un suivi à moins de 0.1mm de la consigne, lorsque celle-ci varie autour du point de léchage.

La commande U ^ref appliquée pour ce type de déplacement est représentée sur le second graphique, pour un cas de tension disponible de 10V. On voit le passage rapide à 10V pour répondre rapidement à l'échelon de consigne. Pendant la phase de suivi, on utilise très peu de tension et très peu de courant comme on peut le voir dans le dernier graphe ce qui évite l' échauffement du moteur et de l'électronique de puissance pendant la phase de léchage. Celle-ci pouvant durer plusieurs secondes, le régulateur obtenu répond à l'objectif de limiter l' échauffement du dispositif de commande.

Ce calcul n'utilise qu'un seul paramètre de réglage. Il offre l'avantage d'avoir toujours le bon ratio entre l'évolution des différents termes de l'équation. Les trois termes de commande prenant en compte les erreurs de position et vitesse sont ainsi mis automatiquement en cohérence, si l'on souhaite faire varier la dynamique de déplacement de l'actionneur. Ceci permet d'assurer toujours la séparation des calculs des termes de suivi de trajectoire et de compensation du couple résistif. Si on souhaite augmenter la dynamique de déplacement de l'actionneur, on peut par exemple augmenter la valeur du paramètre A. On augmente ainsi la dynamique d'évolution des termes d'erreur en position et en vitesse. La dynamique d'évolution du terme intégral est également augmentée au plus juste, pour pallier le fait que, si l'actionneur se déplace plus vite, le couple résistant peut également évoluer plus vite.

En conservant une grande stabilité de régulation sur une large plage de valeur du paramètre λ, on parvient à s'affranchir des contraintes de stabilité pour la calibration du régulateur. Dans ces conditions, le seul critère restant à optimiser est le niveau de courant et de tension utilisé pendant la phase de léchage. L'objectif est alors donc de calibrer le terme λ le plus faible possible tout en vérifiant le fait de rester toujours dans une plage de +/-0.005mm autour de la consigne. L'objectif peut être par exemple de ne jamais dépasser 10A dans le moteur lors des phases de léchage, qui peuvent durer jusqu'à plusieurs secondes. Une méthode appropriée consiste à commencer par régler le terme λ à une valeur élevée, puis à diminuer cette valeur jusqu'à pouvoir respecter la contrainte sur le courant utilisé, pendant la phase de léchage.

En conclusion, la synthèse du régulateur selon la théorie de Lyapunov offre des avantages appréciables pour la mise au point. Toutefois, sans sortir du cadre de l'invention, d'autres théories peuvent être appliquées, dans la mesure où elles permettent de synthétiser un correcteur pour un système étendu à la dérivée de la tension de commande.