FR2752446A1 - Procede de commande optimise d'un actionneur electrofluidique et actionneur le mettant en oeuvre - Google Patents

Abstract

La servo-valve de l'invention comporte essentiellement un bloc hydraulique (2) relié à une centrale hydraulique (3), le tiroir du bloc étant actionné par un moteur électrique (5). Selon l'invention, pour des débits inférieurs au débit maximal, le moteur est commandé en boucle fermée (8-7-9), et dès que la tension de consigne (9) devient nettement différente de sa valeur instantanée, le moteur est commandé en boucle ouverte.

Description

La présente invention se rapporte à un procédé de commande optimisé d'un actionneur électrofluidique et à un actionneur le mettant en oeuvre.

Un actionneur électro-hydraulique comporte essentiellement un bloc hydraulique (comprenant un corps, auquel sont reliées des conduites hydrauliques, à l'intérieur duquel se déplace un élément mobile, généralement appelé tiroir), un moteur électrique commandant les déplacements du tiroir et des circuits de commande électriques etlou électroniques de ce moteur.

Selon la configuration du bloc hydraulique et la configuration des circuits de commande, I'actionneur est désigné par la fonction du produit obtenu, à savoir: une électro-valve, un servo-distributeur, une servo-valve proportionnelle, . Ces différents actionneurs peuvent être classés en organes à fonctionnement à peu près proportionnel (servo-distributeurs et électro-valves proportionnelles) et en organes à fonctionnement proportionnel (servo-valves).

Parmi ces organes électro-hydrauliques, on considère que les servo-valves sont les plus performants en termes de domaines d'utilisation.

Elles sont en général utilisées pour des gammes de pressions et de débits spécifiques. Du fait que les servo-valves ont une technologie de fabrication étroitement dépendante de l'application considérée, et que leurs applications sont nombreuses et diverses, leur nombre de modèles est également élevé, ce qui ne permet pas de les fabriquer en grandes séries, et les rend relativement onéreuses.

On connaît d'après le brevet français 2 688 620 une servo-valve proportionnelle multi-usages dont un même modèle peut être utilisé directement dans plusieurs applications, par exemple pour être mis en oeuvre dans des fonctions de suspension, de direction, de freinage...pour les automobiles, des fonctions de freinage, de commande de volets, de vérins, . . pour l'aviation, ainsi que dans divers autres secteurs techniques, tels que les engins de travaux publics, les transports par rail,
Une telle servo-valve a un coût réduit du fait de la possibilité de la fabriquer en plus grandes séries grâce à une utilisation plus "universelle" que celle des servo-valves antérieures. Toutefois, elle est limitée à une fonction proportionnelle, ce qui nécessite de la combiner avec des électrovalves en tout-ou-rien dans certaines applications.

La présente invention a pour objet un actionneur électrofluidique qui ait un domaine d'applications plus vaste que la servo-valve proportionnelle multi-usages connue et qui évite l'emploi combiné d'électrovalves.

Le procédé de commande optimisé d'un actionneur électrofluidique de l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste à faire fonctionner son circuit de commande en boucle fermée tant que le débit de fluide demandé est inférieur au débit maximal possible, et de le faire fonctionner en boucle ouverte dès que le débit demandé est nettement différent du débit instantané ou égal au débit maximal possible.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, pour passer d'un débit différent du débit maximal possible au débit maximal possible, on annule le débit instantané et on commande aussitôt après, par une commande en boucle ouverte, ce débit maximal.

L'actionneur électrofluidique dont part l'invention comprend un bloc de contrôle de débit de fluide avec son tiroir de commande de débit de fluide, relié à une centrale de production de pression de fluide, le tiroir du bloc étant mû par un moteur électrique commandé par un circuit de commande recevant une tension de consigne, le bloc fluidique étant relié par des canalisations de fluide à un équipement utilisateur, et il est caractérisé en ce que le moteur électrique est associé à un capteur de position angulaire de son arbre de sortie, ce capteur étant relié de façon commutable au circuit de commande.

Selon une caractéristique de l'invention, 'actionneur est caractérisé en ce que l'équipement utilisateur comporte un capteur de position de son organe dont les déplacements sont commandés par le fluide venant du bloc fluidique, ce capteur de position étant relié à un comparateur recevant la tension de consigne, la sortie de ce comparateur étant reliée au circuit de commande.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel:
- la figure 1 est un bloc-diagramme simplifié d'une servo-valve conforme à l'invention,
la figure 2 est une courbe caractéristique du fonctionnement de la servo-valve de la figure 1, et
- la figure 3 est un bloc-diagramme d'une application de la servovalve de la figure 1.

L'invention est décrite ci-dessous en référence à un circuit hydraulique, mais il est bien entendu qu'elle peut aussi être mise en oeuvre dans un circuit pneumatique.

La servo-valve 1 schématiquement représentée en figure 1 comprend essentiellement: un bloc hydraulique 2 relié à une centrale hydraulique 3 d'une part, et d'autre part à un équipement utilisateur 4. Un moteur électrique 5 commande, par une liaison mécanique, la position du tiroir 6 du bloc hydraulique 2. Un circuit électronique 7 commande la position du moteur 5 auquel est associé un capteur de position 8 relié au circuit 7. Le circuit 7 reçoit sur une borne 9 un signal de consigne de débit, commandant la valeur du débit de fluide hydraulique que doit laisser passer le tiroir 6 en bloc 2. En fait, ce signal de consigne peut directement représenter la grandeur physique que l'on cherche à obtenir de l'équipement utilisateur, par exemple la position à laquelle on veut amener la tige d'un vérin lorsque ce dernier est ledit équipement utilisateur.

On a représenté en figure 2 un exemple de diagramme du débit hydraulique passant dans le bloc 2 en fonction de la valeur de la tension de consigne appliquée à la borne 9. La caractéristique 10 de fonctionnement obtenue, partant de l'origine 0 des coordonnées, comporte une première partie sensiblement linéaire OA, suivie d'une deuxième partie sensiblement linéaire AB dont la pente, dans le présent exemple, est légèrement supérieure à celle de la première partie linéaire. Cette différence de pentes est due au chanfrein pratiqué, de façon connue en soi, sur le tiroir du bloc hydraulique. Le point B est obtenu pour une valeur V1 de la tension de consigne, à laquelle correspond un débit DB. Au point A correspondent une tension de consigne VA et un débit DA. Au-delà de la tension de consigne
V1, et jusqu'à une tension de consigne V2 (point C), le débit n'augmente plus, en restant égal à DB. La caractéristique 10 présente donc un palier horizontal entre B et C. Pour une tension de consigne supérieure à V2, le débit de fluide devient maximum (DM), le tiroir 6 passant aussitôt en position d'ouverture maximum (point D), et l'augmentation de la tension de consigne au-delà de V2 ne peut, bien entendu, faire augmenter ce débit (par exemple le point E, pour une tension V3 > V2, a la même ordonnée DM que le point
D).

La partie de caractéristique OB, qui correspond à une commande en boucle fermée (asservie), dépend de la fonction de transfert du circuit de commande 7, étant bien entendu que l'ordonnée DB du point B est inférieure à DM, et même inférieure à une valeur DBmax. Cette valeur DBmax est, bien entendu, inférieure à DM, mais proche de celle-ci, et bien connue de l'homme du métier. En effet, pour un débit égal ou légèrement supérieur à DBmax on constate, en commande en boucle fermée, des instabilités de fonctionnement par suite de vibrations du tiroir. Pour des tensions de consigne comprises entre V1 et V2, il y a saturation de la commande, et le débit reste égal à DB. Ainsi, un léger dépassement de la tension de consigne au-delà de V1 ne risque pas de faire passer le point de fonctionnement à DBmax ou à la pleine ouverture. A partir de la tension V2, le circuit 7 fonctionne en boucle ouverte, c'est-à-dire que le moteur 5 pousse immédiatement le tiroir 6 en position de débit maximum, sans que le signal provenant du capteur de position 8 puisse agir.

Le circuit de commande 7 est réalisé de façon connue en soi et fonctionne sous le contrôle d'un logiciel qui supervise l'élaboration, pour la partie de caractéristique OB, des signaux de commande du moteur 5, compte tenu de la tension de consigne et du signal de position provenant du capteur 8. Ce moteur 5 est lié mécaniquement au tiroir 6, et à chaque valeur de tension de consigne (comprise entre 0 et V) correspond une seule position du moteur, donc une seule position du tiroir et un seul débit de fluide dans le bloc 2. Bien entendu, le logiciel de supervision du circuit 7 permet d'adapter la pente générale et la forme de la caractéristique OB à l'utilisation envisagée.

II est également bien entendu que l'abscisse du point B peut être modifiée par ce logiciel, à condition que son ordonnée soit inférieure à
DBmax.Ainsi, par exemple, pour un cas d'utilisation, on peut arrêter la partie régulée de la caractéristique au point B', d'ordonnée DB', inférieure à DB, à laquelle correspond une tension de consigne V,I inférieure à VI. De V'1 à
V2 (point C'), le débit hydraulique n'augmente pas (il reste égal à DB'). Pour une tension de consigne supérieure à V2, le circuit 7 fonctionne en boucle ouverte, c'est-à-dire que la caractéristique de fonctionnement est également la droite DE, d'ordonnée DM. Bien entendu, le logiciel permet de modifier aussi bien la position du point B que la forme de la caractéristique entre 0 et
B.

La valeur de l'ordonnée DM est fonction des caractéristiques mécaniques du bloc hydraulique 2 (diamètre des orifices, ...) et de la pression produite par son générateur 3. Pour ce fonctionnement au-delà du point D, pour lequel le tiroir 6 est en position d'ouverture maximum, le courant du moteur 5 peut être limité à une valeur assurant le maintien du tiroir en cette position d'ouverture maximum. Dans ce cas, la servo-valve fonctionne comme une électro-valve, avec une énergie électrique de maintien de la force électro-magnétique du moteur 5 réduite, dont la valeur est généralement comprise entre 70 % et 90 % de ia valeur de l'énergie nécessaire pour faire tourner le moteur jusqu'à cette position.

On a représenté en figure 3 un bloc-diagramme d'une servo-valve conforme à l'invention, associée à un vérin hydraulique. Cette servo-valve 11 comporte, comme déjà représenté en figure 2, un bloc hydraulique 2 avec son tiroir 6 qui est actionné par le moteur 5 avec lequel coopère un capteur 8 de position angulaire de son arbre. Le bloc hydraulique 2 actionne un vérin 12 auquel est associé un capteur 13 de position de la tige de ce vérin.

Le circuit électronique 14 de commande du moteur 5 comprend un circuit 15 d'asservissement de position du vérin 12, et un circuit 16 de commande de position du moteur 5. Les entrées d'un comparateur 17 sont respectivement reliées à la sortie du capteur 13 et à la borne 9' sur laquelle arrive la tension de consigne de position du vérin 11, et sa sortie est reliée à l'entrée de commande du circuit 15. Les entrées d'un autre comparateur 18 sont respectivement reliées à la sortie du capteur 8 et à la sortie du circuit 15, et sa sortie est reliée à l'entrée de commande du circuit 16. Les circuits 15 et 16 ont été représentés en tant que blocs séparés, mais il est bien entendu qu'en pratique, le circuit 14 peut être un seul sous- ensemble électronique contrôlé par un seul logiciel comportant les fonctions de contrôle d'asservissement du vérin 12 et les fonctions de contrôle de la commande de position du moteur (et, le cas échéant, les fonctions de lissage décrites ci- dessous).

Le fonctionnement de la servo-valve Il et du vérin 12 est le suivant. Soi z la tension d'erreur de position produite par le comparateur 17 par comparaison de la tension de consigne CO envoyée à la borne 9' et du signal P1 représentant la position réelle de la tige du vérin 12. Lorsque la tige du vérin Il est en position initiale (rentrée) et que la différence entre
CO et P1 est très importante, le signal d'erreur z est grand, et le tiroir 6 est déplacé par le moteur 5 en position d'ouverture maximum, ce qui fait que le débit de fluide dans le bloc 5 est maximum (DM). La boucle de régulation (capteur 8, comparateur 18, circuit 16) qui contrôle le débit du fluide hydraulique pour de faibles débits (courbe OB en figure 2) est alors ouverte (partie DE de la caractéristique 10). Par contre, lorsque la tige du vérin est peu sortie et que les signaux CO et PI sont peu différents, cette boucle de régulation se ferme, et le circuit 16 assure le contrôle de la position du tiroir et donc du débit de fluide hydraulique dans le bloc 2. Dans ce cas, la servovalve 11 fonctionne effectivement en servo-valve et son point de fonctionnement se situe entre O et B (fonctionnement en mode servo-valve proportionnelle).

De façon avantageuse, le passage de la zone de fonctionnement
D-E (mode électro- valve) à la zone BA se fait à l'aide d'un logiciel de lissage, permettant de passer d'un état stable pour lequel la position du tiroir n'est pas régulée (le tiroir est en butée d'ouverture maximum), et pour lequel le circuit 16 transmet au moteur un courant de maintien qui n'est pas régulé, et le tiroir n'est pratiquement pas soumis à des forces de réaction de la part du fluide hydraulique, à un état pour lequel le circuit 16 prend immédiatement en charge la régulation de la position angulaire du moteur (pour lutter contre les forces de réaction opposées par le passage du fluide hydraulique et tendant à modifier la position du tiroir). En outre, le tiroir passe par une position (correspondant à DBmax) pour laquelle se produisent des vibrations parasites du tiroir, ce qui, ajouté à la rapidité de la transition entre les deux états précités risquerait de produire des oscillations du tiroir autour de la position régulée recherchée avant que le logiciel de commande de position ne puisse agir avec efficacité. La prise en charge de cette transition par un logiciel-relais de lissage permet d'éliminer ou de réduire très fortement de telles oscillations. La réalisation d'un tel logiciel étant évidente pour l'homme de l'art à la lecture de la présente description, ne sera donc pas exposée ici.

D'autre part, I'invention prévoit, pour passer du mode régulé (point de fonctionnement entre O et B) au mode électro-valve, non régulé, une séquence de commande intermédiaire faisant passer le point de fonctionnement (situé par exemple en B) par zéro avant d'envoyer au moteur un signal de valeur élevée (supérieure à V2) pour le faire aussitôt passer sur la droite D-E. Etant donné qu'en mode électro-valve le tiroir arrive en butée et que le moteur reçoit pour y parvenir une puissance suffisante (par exemple environ 100 watts pour une servo-valve faisant passer un débit maximum de quelques dizaines de litres par minute à une pression maximale d'environ 200 bar) il n'y a pas à redouter d'oscillations du tiroir, et il n'y a donc pas à recourir à un logiciel de lissage pour assurer cette transition. Dès que le tiroir arrive en butée, on peut réduire la puissance envoyée au moteur à une valeur de maintien, qui est généralement comprise entre 70 % et 90 % de la valeur nécessaire pour le déplacer vers cette butée. Dans des exemples de réalisation, on a constaté que le passage du tiroir d'une position correspondant au point de fonctionnement B vers la position d'origine O, puis aussitôt après à la position en butée d'ouverture maximum n'entraîne aucune réaction parasite sur la tige du vérin du fait que le temps maximum mis par le tiroir pour parcourir ce trajet est d'environ 6 ms, alors que le temps de réaction du circuit hydraulique et du vérin est supérieur à 50 ms.

Grâce à l'invention, on optimise la puissance délivrée par le moteur actionnant le tiroir et on obtient des débits moyens de fluide hydraulique plus importants qu'avec une servo-valve classique. De plus,
I'invention permet d'obtenir un temps de ralliement le plus court possible lorsque l'organe commandé (vérin) est éloigné de la nouvelle position de consigne demandée, grâce à la commande en boucle ouverte puis en boucle fermée.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Actionneur électrofluidique, comprenant un bloc de contrôle de débit de fluide (2) avec son tiroir de commande de débit de fluide (6), relié à une centrale de production de pression de fluide (3), le tiroir du bloc étant mû par un moteur électrique (5) commandé par un circuit de commande (7), recevant une tension de consigne (9), le bloc fluidique étant relié par des canalisations de fluide à un équipement utilisateur (4), caractérisé en ce que le moteur électrique est associé à un capteur de position angulaire de son arbre de sortie (8), ce capteur étant relié de façon commutable au circuit de commande (7).

2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'équipement utilisateur (12) comporte un capteur de position (13) de son organe dont les déplacements sont commandés par le fluide venant du bloc fluidique, ce capteur de position étant relié à un comparateur (17) recevant la tension de consigne (CO), la sortie de ce comparateur étant reliée au circuit de commande.

3. Actionneur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est une servo-valve hydraulique.

4. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'équipement utilisateur est un vérin.

5. Procédé de commande optimisé d'un actionneur électrofluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à faire fonctionner son circuit de commande en boucle fermée (O-B) tant que le débit de fluide demandé (DB, DB') est inférieur au débit maximal possible (DM), et de le faire fonctionner en boucle ouverte dès que le débit demandé est nettement différent du débit instantané ou égal au débit maximal possible (DM).

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que pour passer d'un débit différent du débit maximal possible au débit maximal possible, on annule le débit instantané et on commande aussitôt après, par une commande en boucle ouverte, ce débit maximal.

7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le passage du débit maximal possible à un débit intermédiaire (0-B) est assisté par un logiciel de lissage.

8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre par une servo-valve hydraulique.

9. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre par une servo-valve pneumatique.