De nouveaux actionneurs linéaires au service du contrôle moteur automobile

27/08/2017
Publication REE REE 2006-9
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-9:19667
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De nouveaux actionneurs linéaires au service du contrôle moteur automobile

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De nouveaux actionneurs linéaires au service du contrôle moteur automobile ! naM Actionneur, Capteur, Magnétique, Régulation Olivier ANDRIEU, Laurent DUFOUR ELECTRICFILAUTOMOTIVE Comment le mariage des technologies des capteurs et des actionneurs favorise l'in- troduction des boucles de régulation fermées et soulage les calculateurs embarqués ? 1. Introduction Nous assistonsà une électronisation forte desvéhicu- les automobiles, conduisant les constructeurs et les équi- pementiers automobiles à proposer des fonctions électri- ques en lieu et place de fonctions mécaniques. Cela concerne des applications aussi variées que la transmis- sion, la re-circulation des gaz, les turbocompresseurs, le contrôle moteur, le freinage... Cette évolution est connue pour favoriser l'implantation de dispositifs électroniques et de capteurs dans les véhicules. Elle participe aussi à l'accroissement du nombre d'actionneurs et contribue à l'émergence de systèmes de régulation complexes. La règle de l'art veut qu'une régulation en boucle fermée uti- lise lestrois composantsmajeurs que sont le capteur,l'ac- tionneur et la commande électronique de l'actionneur. Comme on s'en doute, et en première approche, le fait de remplacer un système ouvert obtenu, par exemple, avec un actionneur mécanique, par un système fermé avec contrôle électronique génèreun coût supplémentaire pour l'utilisateur. Le marché automobile offre toutefois la pos- sibilité aux concepteurs d'adapter les technologies pour proposer des solutions remplissant la fonction demandée aujuste coût. Electricfil Automotive, équipementier auto- mobile connu pour ses produits capteurs et actionneurs pour moteurs et boites de vitesse, a conçu un actionneur électromagnétique performant et facilement intégrable à l'ensemble du système de régulation. Il est dorénavant envisageable de concevoir des systèmes autonomes déchargeant les calculateurs de tout ou partie des fonc- tions de contrôle d'actionneur, leur permettant de se consacrer à leurs tâchesprincipales. 2. Principe d'un actionneur électromagnéti- que à réluctance fixe La plupart des actionneurs électromagnétiques utili- sent un ou plusieurs bobinages associés à une pièce métallique mobile. Le champ magnétique généré par le courant des bobines créeune force d'attraction qui tend à déplacer la pièce mobile dans la direction souhaitée. De tels dispositifs, dits à réluctance variable, doivent inclure un ressort de rappel. Ce ressort, partie intégrante de l'ac- tionneur, peut conduire dans certaines applications à un surdimensionnement de l'actionneur, de façon à vaincre cet effort supplémentaire. Les actionneurs à réluctance variable sont de plus difficiles à piloter du fait de la nécessité de contrôler un courant dans une inductance dont la valeur dépendde la position de l'actionneur. Dans le cas d'un actionneur rapide, la boucle d'asservissement doit prendre en compte en temps réel cette variation d'in- ductance. Cela nécessitedes puissancesde calcul impor- tantes pour assurerune régulation correcte. Les actionneurs à réluctance fixe sont réalisés de la même manière, à ceci près que la pièce mobile est un aimant. Le déplacement est la conséquencedes forces de ESSENTIEL Unebouclederégulationdansle contrôlemoteurfaitintervenirun capteur,unactionneuret undispositifdecommande.Lesrécents travauxréaliséspar ElectricfilAutomotivedansle domainedes actionneursélectromagnétiqueset capteurslinéairesoffrentdes possibilitésde conceptionde systèmesactionneursautonomes, déchargeantdes calculateursde tâchesqui leur incombaient jusqu'alors. SYNOPSIS Close-loop regulationforenginecontrolusesbasicallyonesensor, oneactuatoranda regulation control unit. The improvement of linear electromagneticactuatorsandsensorsmadeby Etectricfil Automotiveis attractivefor newandautonomousactuationsys- tem,asElectronicUnitscandelegatesometasks. 1 REE N'10 Novembre2006 Culasse Bobinage Zn Entrefer fixe 1 Aii-nant mobile ] Figure 1. Aclioliiiciii- électioiiia,-izéliqiie à i-élitcloi7cefiye. Laplace, ce qui rend le pilotage plus facile. La technolo- gie d'actionneur développée par Electricfil repose sur une configuration à réluctance fixe, à entrefer constant entre l'aimant mobile et les autres constituants que sont les bobines et les culasses, ainsi que sur une limitation des fuites de flux magnétiques (figure 1). L'effort fourni par l'actionneur est la conséquence directe du champ magné- tique généré par les bobines, lui-même issu du courant circulant dans les bobines. La force et le déplacement de l'actionneur sont la conséquence directe des dimensions des constituants. Dans une optique de rationalisation des travaux de design et de dimensionnement de l'outil de production, cinq familles d'actionneur ont été envisagées, allant des petits actionneurs pouvant déplacer quelques newtons à des actionneurs plus puissants destinés aux actionneurs de soupapes de turbocompresseur par exemple. Par nature, ce principe possède une ou plusieurs posi- tions d'équilibre stables sans courant appliqué. Le nom- bre de pièces nécessaires à la constitution de cet action- neur est faible, comparé aux systèmes à réluctance varia- ble, en partie grâce à la réduction possible du nombre d'éléments de guidage mais également grâce à l'architec- ture magnétique qui limite le besoin de pièces de struc- ture assurant la rigidité mécanique de l'ensemble. Famille Effort(N) Course(mm) Dimension(mm) Masse 01 QuelquesN 1 mm 12x6x7 5 g 02 30 10 mrn 20x2Ox3O 100g 03 250 lomm 45x4ûxlOO 350 g - 700 g 04 500 15 mm 45x8Oxl5O 1200 g 05 2000 10 mm 9Ox8Ox2OO 4600 g 3. Le capteur et son intégration à l'actionneur Les composants de base de la boucle de régulation sont l'actionneur linéaire, le capteur linéaire, l'électroni- que de puissance alimentant l'actionneur, l'électronique de régulation tenant compte de la consigne et de la posi- tion de l'actionneur et des caractéristiques propres de l'actionneur (figure 2). Le premier niveau d'intégration consiste à placer le capteur de position au plus près du dispositif mobile de l'actionneur. Une telle intégration permet de s'affranchir des problèmes d'alignement des deux composants sépa- rés rencontrés dans le cas d'utilisation d'un actionneur et d'un capteur indépendants. De plus, les références méca- niques entre le capteur et l'actionneur étant les mêmes, REE N'10 Novembre2006 1 + 1 2V Batterie Accélération vitesse Position ACTIONNEUR Puissance b. Actionneur linéaire smart " Capteur de H B// "sa " \\ Capteur dPuissance actionneur Consigne position . Pilotage esure de osition Capteur de position Figure 2. Boucle de régulation actionnezir. portées par un seul ensemble mécanique, la calibration du système complet peut être réalisée en une seule opération lors de la fabrication de l'ensemble. Les technologies de mesure magnétiques sans contact s'imposent. Largement éprouvés dans l'automobile et en particulier dans les applications de mesure en boites de vitesse, ces capteurs sont connus pour leur réponse linéaire, précise, ainsi que pour leur fiabilité. Ils sont clas- sés en deux catégories : les capteurs à effet Hall, les cap- teurs inductifs (figure 3). Les capteurs linéaires à effet Hall sont constitués d'un aimant et d'un capteur Hall proprement dit. Le capteur détecte la position de l'aimant, le plus souvent en maté- riau terre rare, parfois lié à un agent thermoplastique. Par combinaison de guides de flux, d'aimants supplémentai- res ou de capteurs supplémentaires, il est possible d'amé- liorer la précision du capteur ainsi que sa linéarité. Une variante de ces capteurs consiste à mesurer des fuites de flux de champ magnétique. . Plage de mesure : jusqu'à 50 mm Précision du capteur : linéarité < +/- 5 % FS répétabilité < +/- 0.3 % FS dérive en température < +/- 4 % FS 1 offset < +/- 0,2 % FS . temps de réponse : 1 msmax . Plage de température : - 40°C à + 150'C Les capteurs inductifs, connus sous l'appellation LVDT (Linear Variable Differential Transducer) sont cons-titués d'un double bobinage primaire et secondaire, magnétiquement reliés par une pièce polaire saturable, d'un aimant et d'un Asic pour l'instrumentation du cap- teur. Ces capteurs fonctionnent sur le principe des trans- formateurs. A partir d'un signal d'excitation, la bobine primaire crée une induction magnétique dans la pièce polaire, puis dans la bobine secondaire. Un aimant posi- tionné le long de l'axe polaire va modifier le rapport de transformation du primaire vers le secondaire en saturant magnétique et localement l'axe polaire. L'Asie assure les fonctions de gestion des signaux électrique d'excitation HF, les fonctions de reconnaissance de position et d'inter- face électrique. Les capteurs LVDT sont avantageux pour leurs performances en précision et linéarité. . Plage de mesure : jusqu'à 50 mm . Précision du capteur : linéarité < +/- 2 % FS répétabilité < +/- 0. 1 % FS REE N'10 Novembre2006 Capteureffet Hall Capteureffet Hall Capteureffet Hall différentiel Capteur simple différentiel avec guides de flux LVDT Plage de mesure < 10 mm 10 à 30 mm 10 à 50 mm 10 à 50 mm Précision Faible forte forte forte Temps de réponse 1 ms 1 ms 1 ms 1 ms Plage de température -40'C to + 150'C -40'C te + 150'C -40'C te + 150'C -40'C te + 150'C Facilité d'intégration facile facile moyenne moyenne Sensibilité à L'actionneur forte faible faible faible Possibilité de redondance non oui oui oui Coût faible faible moyen élevé 1. Figit-e 3. Peiforniances coiiipai-ées de quelqiies pi-incipes de capteui-s linéaii-es. dérive en température < +/- 2 % FS offset < +/- 0,2 % FS . temps de réponse : 1 ms max - Plage de température : -40°C à + 1 50'C 4. Deuxième niveau d'intégration de la boucle de régulation Le deuxième niveau d'intégration capteur - actionneur consiste à placer l'électronique de puissance au plus près de l'actionneur. Les bénéfices résultants sont la réduction des câbles et connecteurs de puissance, assurant une meil- leure fiabilité, une réduction des pertes de puissance sur la longueur de câble. On peut noter également une réduc- tion des bruits CEM. Enfin, cette intégration permet de soulager le calculateur de l'étage de puissance nécessaire au fonctionnement de l'actionneur. En dernier lieu, il est possible d'associer à l'actionneur le contrôle de régulation. En étant lié à l'actionneur, ce contrôle n'est plus dépendant des bus de communications et pertes de temps associées. La stratégie de pilotage mise en oeuvre peut être adaptée aux caractéristiques propres de l'actionneur et l'optimisation de l'ensemble du fonctionne- ment est rendue possible par le co-développement de la boucle complète au sein d'un seul produit. Le contrôle peut intégrer des paramètres individuels tels que les compensa- tions et calibration permettant de régler chaque système en fin de cycle de fabrication et de s'affranchir ainsi de l'effet de dispersions mécaniques ou magnétiques. Enfin, la responsabilité de la fonction est clairement identifiée, puisque le système est entièrement conçu par un seul acteur. 5. Conclusion Ces actionneurs électromagnétiques ont pour princi- pal avantage d'intégrer des fonctions jusqu'à présent dis- sociées et réalisées avec des technologies non compati- bles entre elles. Ils offrent aux concepteurs automobiles la possibilité d'améliorer des fonctions essentielles par des systèmes de régulation fermée. C'est le cas du remplace- ment des actionneurs pneumatiques des turbocompres- seurs. Un actionneur électromagnétique performant pourra apparaître surdimensionné, mais offrira en revan- che des possibilités de contrôle accrues, une fiabilité accrue et des positions de sécurité, et cela sans surcoîit de la fonction. Ces actionneurs sont également bien adaptés pour des applications à forte dynamique et nécessitant des efforts importants, tels que les commandes d'ouverture ferme- ture de soupape. Des applications de remplacement d'électrovannes en boîte de vitesse automatique sont éga- lement à l'étude. Olivier Andrieu d rige la cellule Innovation d'ELECTRICFILAUTO- MOTIVEdepuis 2003. Auparavant,il occupait le poste de Chef de Projet de développement de capteurs magnétique dans cette même entreprise. Titulaired'un diplôme d'ingénieuren physico-chi- mie, il a complété sa formation par un doctorat dans le domaine des nanostructuresmagnétiques. LaurentDufourfait Partid'ELECTRiCFiLdepuis 1986.II est depuis 2003 ingénieurde recherche et expert en électromagnétisme au sein de la structure innovationd'ELECTRICFIL AUTOMOTIVE.Son expertisea été acquiseà traversdes responsabilitésde développe- ment de produits électromagnétiques tels que les bobines d'allu- mage, lescapteurs magnétiques. REE NI 10 Novembre2006 1