DIRECTION ASSISTEE D UN VÉHICULE AUTOMOBILE DE TOURISME

DIRECTION ASSISTEE D UN VÉHICULE AUTOMOBILE DE TOURISME Analyse du système d'assistance OBJECTIFS DU TP : Étudier le système de direction assistée électrique à assistance variable de la Renault Twingo. Modéliser (modèle de connaissance et modèle de comportement). Analyser les performances de cet asservissement. 1. Présentation de l'asservissement 1.1. Le problème technique. Pour accroître la sécurité et surtout le confort de conduite d un véhicule automobile, la commande de pivotement des roues peut être assistée. La Renault Twingo a été le premier véhicule en France équipé d'une direction assistée électrique variable (D.A.E.V.) ; cette technologie s est depuis généralisée sur tous les véhicules. 1.2. La D.A.E.V de la Renault Twingo en situation d usage. Le mécanisme de direction assistée électrique variable de la Renault Twingo est décrit par le schéma ci-dessous. Celui-ci représente globalement l implantation des différents constituants sur le véhicule. 2 3 4 5 1 : Capteur de vitesse 2 : Boîtier de direction 3 : Capteur de couple 4 : Moteur électrique 5 : Colonne de direction 6 : Calculateur d injection 7 : Calculateur D.A.E. 1 6 8 : Prise diagnostic La partie purement mécanique de la direction est composée des éléments suivants : Lycée Saint-Louis -1-44, Bd St-Michel PARIS VI

le volant la colonne de direction le double-cardan de transmission le pignon et la crémaillère le système d orientation des roues L ensemble d assistance électrique est constitué d un moteur électrique associé à un réducteur de vitesse accouplé à la colonne de direction par un embrayage électrique commandé ; à partir d'informations mesurés sur le véhicule, le calculateur commande la mise en service du moto-réducteur et de l'embrayage pour assister le conducteur lorsque celui-ci effectue des manœuvres à basse vitesse. 1 : Capteur de vitesse 2 : Prise diagnostic 3 : Calculateur 4 : Voyant D.A.E. 5 : Colonne 6 : Calculateur D.A.E. Dans tous les cas, la position angulaire du volant relève exclusivement de l'initiative du conducteur En l'absence d'assistance, l'effort que doit exercer le conducteur sur le volant pour obtenir le déplacement de celui-ci est imposé par les conditions de conduite : vitesse, état du revêtement au sol, charge du véhicule,etc. La résistance que rencontrent les roues pour pivoter au contact du sol «remonte» jusqu'au volant via la partie mécanique, et le conducteur doit la vaincre en fournissant un effort musculaire. Ce mode de fonctionnement est satisfaisant aux vitesses élevées ; il permet d'autre part de garder le contrôle de la trajectoire du véhicule en cas de panne électrique ; c'est pourquoi sa présence est rendue obligatoire par la réglementation. En mode assisté, un capteur informe à tout instant le calculateur de l'intensité du couple exercé par le conducteur sur le volant. Lorsque cette intensité dépasse un seuil (qui dépend de la vitesse du véhicule) le calculateur alimente le moteur électrique de manière à ce que celui-ci soulage le conducteur ; dès que l'intensité du couple retombe au dessous du seuil, le calculateur en déduit que le conducteur ne souhaite plus modifier l'orientation des roues et interrompt donc l'action du moteur électrique. 1.3. Le matériel instrumenté, support de l étude. L observation de la maquette permet de localiser plusieurs éléments : Tout d'abord les organes de la DAEV proprement dite (en situation d'usage) la colonne de direction (rouge) le système mécanique de direction à pignon et crémaillère (bleu) Lycée Saint-Louis -2-44, Bd St-Michel PARIS VI

les pivots de roues situés à droite et à gauche (orange) le moto-réducteur (jaune) le calculateur (vert) Ensuite les aménagements propres à la maquette instrumentée : Support fixe (bleu lagon) Deux récepteurs à effort variable ou pivot freinée (orange) qui permettent de simuler la résistance opposée par le sol au pivotement des roues. Capteurs de position (volant, roues) Capteur d'effort à jauges de déformation sur la colonne de direction (marron) Pupitre (bordeaux) qui permet de gérer les mesures et de récupérer un certain nombre d informations via des cavaliers sur lesquels il est possible de brancher un oscilloscope ou un multimètre. Un potentiomètre qui permet de simuler l'information de vitesse de déplacement du véhicule. 1.4. Observation du matériel instrumenté en fonctionnement. On va maintenant faire fonctionner le matériel instrumenté : l objectif est de comparer les modes de fonctionnement avec et sans assistance électrique afin d en tirer des conclusions d'abord qualitatives puis quantitatives, après analyse des mesures. Remarque : Les «infos bulles» qui apparaissent lorsqu on approche la souris des différentes icônes du logiciel permettent de les repérer facilement les fonctionnalités. mettre le matériel sous tension (où l interrupteur se trouve-t-il?) débloquer le volant en tournant la clé de contact située près du volant démarrer l assistance en actionnant l interrupteur correspondant (la partie rouge doit être visible) Les manipulations peuvent maintenant commencer Attention! NE JAMAIS FORCER SUR LE VOLANT Choisir le mode de fonctionnement et la vitesse du véhicule sur le pupitre du véhicule : on sera sans assistance si on met l interrupteur RÉGIME MOTEUR en position 0 (la partie rouge n est pas visible), ce qui a pour effet d allumer le voyant rouge DAEV et avec assistance si on met l interrupteur RÉGIME MOTEUR en position 1 (la partie rouge doit être visible), ce qui a pour effet d éteindre le voyant rouge DAEV et d allumer le voyant jaune EMBRAYAGE Tourner le volant complètement (mais doucement) dans le sens des aiguilles d une montre jusqu à la butée droite et le lâcher ensuite de façon à ce qu il se place dans une position stable (c est l élasticité des contacts qui le ramène en position) Cliquer sur «Initialiser» dans le logiciel puis appuyer assez fermement sur le bouton DÉPART de ME- SURE sur le pupitre de la station Au bout de 2 s environ, tourner le volant dans le sens trigonométrique de manière la plus régulière possible vers la butée gauche (symétrique de la butée droite), sans la toucher (sinon les mesures sont faussées et donc à recommencer) en moins de 8 s (la durée totale de l enregistrement est de 10 s) Attendre la fin de l importation des résultats puis fermer la fenêtre et faire la mesure suivante À la fin des mesures : cliquer sur l icône «courbes» pour faire apparaître le menu «gestion de courbes» et afficher les courbes issues des essais et représentant le couple sur le volant (amont) en fonction du temps et le couple en sortie (aval) en fonction du temps. Appuyer sur l icône «même échelle pour toutes les courbes» pour pouvoir comparer les courbes de manière cohérente et cliquer sur l icône «Valeurs numériques» pour connaître les valeurs. Faire une mesure «à vide», c est-à-dire sans manipuler le volant qui sera laissé globalement dans sa position médiane : que peut-on en conclure? Que faudra-t-il faire sur les mesures à venir? Noter les valeurs de recalage à utiliser. En tenant compte des conclusions de la question précédente, faire, en suivant le protocole de manipulation cidessus, les quatre mesures suivantes : sans assistance à petite vitesse (mesure N 1) : on prendra une vitesse comprise entre 10 et 20 km.h-1 sans assistance à grande vitesse (mesure N 2) : on prendra une vitesse supérieure à 80 km.h-1 avec assistance à petite vitesse (mesure N 3) : on prendra une vitesse comprise entre 10 et 20 km.h-1 avec assistance à grande vitesse (mesure N 4) : on prendra une vitesse supérieure à 80 km.h-1 Analyser l influence de la direction assistée électrique variable sur les couples amont et aval (noter les valeurs numériques, la position relative des courbes, l évolution globale sur un mouvement équivalent, etc.). Lycée Saint-Louis -3-44, Bd St-Michel PARIS VI

2. Structure du système d assistance à la direction 2.1. Schéma synoptique Le document réponse relatif aux chaînes d énergie, d action et d information (normalisé) permet de décomposer de manière complète la structure l asservissement : compléter ce document. 2.2 Schéma bloc Présentation de l assistance de la Direction Électrique Assistée Variable Le système doit assister le conducteur dès la mise en rotation du volant et arrêter l assistance dès lors que le conducteur arrête la rotation. Il doit aussi fournir une assistance fonction de la vitesse du véhicule. Le couple C mr d assistance fourni par le moteur s ajoute au couple C vol exercé par le conducteur sur le volant pour former le couple C col effectivement transmis par la colonne de direction aux roues. Cette vision est cependant peu cohérente car c est en fait dans l autre sens que la transmission se fait : c est le couple Ccol qui Le fonctionnement de la Direction Assistée Électrique Variable peut donc être représenté par le schéma simple (voire simpliste) suivant : Volant C vol C col Colonne et pignon Crémaillère Système de direction Roues C mr On a donc : C col = C vol C mr Motoréducteur Le motoréducteur correspond à l association du moteur à courant continu et du réducteur à roue et vis sans fin, l embrayage étant en prise pour que le couple se transmette. Ce schéma est cependant incomplet car ce qui transite n est pas un couple mais plutôt une puissance : il faudrait donc prendre en compte aussi le mouvement (ou plus exactement la variation instantanée du mouvement). Lorsqu un effort est exercé sur le volant, une image du couple mécanique transmis à la crémaillère est envoyée sous forme de signal électrique au calculateur par l intermédiaire d un capteur de couple. Le calculateur détermine alors la puissance électrique à fournir au motoréducteur électrique en fonction du couple au volant et de la vitesse du véhicule. Pour le système étudié, le schéma -bloc ci-dessous permet de mettre en évidence la structure asservie de la Direction Assistée Électrique Variable : la «boucle d asservissement» y est bien visible. C volant C colonne C moteur θ C Calculateur Hacheur Moteur embrayage Réducteur roue vis Barre de torsion θ Électronique du capteur La zone entourée en vert correspond à ce qu on retrouve dans toutes les directions de véhicule automobile. La zone entourée en violet correspond à l assistance rajoutée dans ce cas : Lycée Saint-Louis -4-44, Bd St-Michel PARIS VI

Les deux schémas fonctionnels présentés précédemment sont des versions TRÈS simplifiées du schéma fonctionnel d assistance réellement implanté dans le système étudié. On peut en effet remarquer que plusieurs paramètres influencent le fonctionnement du système d assistance variable. En effet, la rotation du volant s accompagne d un effort du conducteur comme vu précédemment (donc une puissance au final) : il est donc illusoire de ne voir en entrée qu une seule grandeur, quand bien même il s agisse de la grandeur la plus «utile» pour l utilisateur, ici la rotation... Fonctionnement de l asservissement Une rotation α v du volant provoque la déformation de la barre de torsion qui est mesurée par le capteur de couple ; elle provoque alors l apparition d une tension U capt en sortie du capteur. Le calculateur utilise cette tension pour commander le moteur électrique (tension de commande U m ). Lorsque l embrayage est connecté, le moteur (position angulaire de l arbre moteur θ mot ) agit sur la colonne de direction (position angulaire α c ) par l intermédiaire du réducteur et cela jusqu à ce que l angle de colonne soit égal à l angle du volant. En effet, le capteur compare ces deux angles et le moteur n est plus alimenté lorsque cet écart est nul. La rotation de la colonne de direction (α c ) entraîne alors la translation de la crémaillère (λ) puis, par le système de bielles de direction, la rotation des roues. Recopier et compléter le schéma-bloc précédent en précisant les grandeurs de consigne et de sortie, le système assurant la comparaison de ces deux grandeurs et toutes les grandeurs entre les blocs avec les unités du système international Modification de l asservissement (sécurisation mécanique) Si le système tombe en panne, il faut qu il continue à fonctionner afin d assurer la sécurité du véhicule : un entraînement mécanique direct est alors possible directement par la barre de torsion. Modifier le schéma-bloc précédent pour faire apparaître cette deuxième possibilité de transmission de l information de rotation du volant aux roues. Un système de sécurisation mécanique, équivalent à cette barre de torsion, existe aussi sur la DIRAVI, direction assistée hydraulique de la Citroën XM (ce système est en panne mais la partie mécanique peut vous être montrée sur demande). Cette sécurité mécanique va encore perdurer, pour des questions de normalisation, pendant plusieurs années car les utilisateurs ne sont pas forcément très attentifs à leur véhicule et toute casse pourrait être dramatique. Cependant, on peut remarquer qu elle n existe plus sur les avions depuis plusieurs années déjà car ces derniers sont régulièrement vérifiés et entretenus. Analyse des possibilités d identification de la fonction de transfert du processus Si on souhaite étudier le processus de ce système asservi, la méthode la plus classique consiste à «ouvrir» la chaîne d asservissement et à faire des essais sur le système non asservi. Comme le comparateur et le capteur sont réalisés par des éléments mécaniques soudés et enfermés dans le carter (barre de torsion capteur à encoche), il n est pas possible d ouvrir la chaîne dans la boucle de retour, comme on le fait classiquement. Lister les endroits où il serait possible d «ouvrir» cette modélisation de la chaîne d asservissement afin d en faire une étude en boucle ouverte en présentant les avantages et inconvénients des différents choix. Expliquer rapidement quel est l intérêt, dans le cas présent, de faire une identification sur la boucle ouverte et non sur la boucle fermée. Rappelons tout de suite pour éviter toute remarque incohérente que l identification sur la boucle fermée est tout aussi possible et valable que celle sur la boucle ouverte et permet les mêmes conclusions! Lycée Saint-Louis -5-44, Bd St-Michel PARIS VI

3. Identification de la fonction de transfert en boucle ouverte 2.1. Réalisation d'une mesure Normalement, le branchement est déjà fait (présence d une valise bleue et de nombreux fils). Si ce n est pas le cas, PRÉVENIR D URGENCE VOTRE PROFESSEUR ET NE TOUCHEZ SURTOUT À RIEN! L ouverture de la boucle est réalisée au niveau du bloc Correcteur. Le schéma ci dessous montre l organisation du système de mesure utilisé. La fonction de l ensemble «valise et micro ordinateur» en mode «boucle ouverte» est alors de générer un signal de commande U mot puis d acquérir le signal mesuré par le capteur de couple U capt (il s agit, pour des questions de précision, non du capteur original mais du capteur à jauges d extensométrie placé sur la colonne : la mesure sera donc entachée par des bruits dus aux jeux en amont et en particulier dans le premier cardan). Pour analyser la réponse du système ainsi «ouvert», la consigne du volant devra rester nulle ( vol = 0) : pour cela, le volant sera bloqué mécaniquement à l aide du Neimann (clé de sécurité) et des masses de 10 kg (ces masses sont nécessaires afin de supprimer le jeu côté volant qui existe même lorsque le Neimann est bloqué). La fonction de transfert en «boucle ouverte» de la DAE sera H BO(p) = U capt(p) / U mot(p) = Mesure / Commande. Mesure des signaux issus du capteur de couple Valise électrique L ordinateur permet à l utilisateur de définir les réglages du correcteur situé dans la valise électrique, d envoyer des signaux canoniques et d analyser les mesures. 0 Capteur Moteur embrayage Réducteur colonne Crémaillère Envoi de signaux canoniques selon la demande de l utilisateur Volant bloqué par le Neimann Disque d enroulement du câble Masses Avant de continuer : enlever la clé du Neimann (clé de démarrage) tourner le volant de façon à le bloquer installer alors les masses (10 kg au total) au bout du câble métallique dont une extrémité est à fixer sur la vis installée sur le disque près du volant Faites bien attention en manipulant les masses! Maintenir fermement le volant à la main pendant les mesures pour rajouter de la raideur au système de blocage du volant. Dans le logiciel V.E.D.A.E., choisir le mode «Boucle Ouverte» pour faire les mesures. Lycée Saint-Louis -6-44, Bd St-Michel PARIS VI

2.1. Identification temporelle de la boucle ouverte non corrigée L objectif de cette partie est de modéliser la fonction de transfert en boucle ouverte de la D.A.E.V. définie ici par H BO (p) = U capt (p) / U mot (p) à partir de la réponse temporelle à un échelon, afin de l identifier avec un système connu. Pour cela, réaliser les opérations suivantes : programmer un signal carré d amplitude 1 V et de fréquence 1 Hz : dans la période de mesure de 3 s, on aura ainsi 3 échelons, ce qui permettra d avoir une meilleure idée lancer la mesure et vérifier que le comportement du système est correct : à l écran, deux courbes s affichent : en rouge, le signal de commande qui est un échelon parfait et en bleu, le signal mesuré par le capteur de couple ; déplacer le curseur horizontal pour afficher l échelon débutant à t = 2 s. Nota : il se peut que les zéros des courbes ne soient pas identiques pour des questions de réglages et de positionnement du volant : dans ce cas, recaler les mesures pour avoir une valeur nulle à t = 0 On observe des oscillations sur le signal de sortie : malgré cela, on va commencer par choisir un modèle du premier ordre pour le système (si, si)... En effet, on peut voir que les amplitudes des oscillations restent faibles et ce choix va nous permettre d obtenir rapidement un certain nombre d ordres de grandeur, ce qui serait difficile si le choix d un modèle plus complexe avait été fait. Par utilisation de la courbe et en faisant abstraction des oscillations, donner les paramètres caractéristiques du modèle du premier ordre (gain K, constante de temps T). Le modèle précédent (premier ordre) a eu l avantage de nous donner l ordre de grandeur du gain K, ainsi que l ordre de grandeur de la rapidité du processus, grâce à la constante de temps. Cependant, ce modèle reste trop rustique pour être utilisé pratiquement. On choisit donc un modèle du deuxième ordre pour le processus. Ce modèle est-il cohérent? Pourquoi? Déterminer par identification l ordre de grandeur de la valeur du facteur d amortissement ξ. Mesurer le temps de réponse à 5 % et comparer avec la valeur obtenue avec le modèle du 1 er ordre et avec la valeur théorique du 2 e ordre (utiliser l abaque de calcul du cours) : conclusion. 4. Optimisation des performances Réglage expérimental du correcteur pour «optimiser» la commande Le logiciel permet la modification des gains du correcteur utilisé : il s agit de la version «linéarisée» d un correcteur purement numérique et il est fort peu probable que les valeurs ainsi entrées aient un quelconque rapport avec ce qui est réellement rentré. Observer le comportement du système pour plusieurs valeurs du gain ; Les évolutions constatées sont-elles cohérentes avec ce que prévoit le modèle construit précédemment? Fin Lycée Saint-Louis -7-44, Bd St-Michel PARIS VI