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PROCEDE ET SYSTEME POUR LE PILOTAGE
CONTINU DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE SUR
BANC D'ESSAIS MOTEUR
La présente invention concerne un procédé et un système associé comprenant
une carte électronique dénommée TIMER PCI permettant de piloter tout type de
moteur
à corribustion interne, 2 ou 4 temps, essence (mono et multi-étincelles),
diesel (mono et
multi-injections) selon une distribution étendue jusqu'à quatre cylindres par
carte et
selon un principe de complète autonomie de contrôle du moteur qui décharge
considérablement l'activité temps réel de l'unité centrale.
Jusqu'à présent, le pilotage d'un moteur se faisait, soit en utilisant des
calculateurs du commerce dédiés à un usage grand public dont l'exploitation
est limitée
au domaine de fonctionnement du moteur défini par le constructeur automobile
selon un
principe de gestion centralisée de. l'activité temps réelausein du
microcontrôleur du
calculateur, soit en utilisant des équipements de contrôle spécifiques de
bancs d'essais
moteur R&D dont se servent les équipementiers automobiles pour développer
toutes les
stratégies de contrôle moteur et dont l'exploitation est limitée à une marque
automobile
selon un principe de gestion centralisée de l'activité temps réel au sein de
l'unité centrale
du système.
Au contraire, le système et le procédé selon l'invention présentent les
avantages
de disposer d'un moyen de pilotage de tout type de moteur en toute
indépendance du
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constructeur automobile et/ou de l'équipementier associé et offrant un moyen
d'exploitation ouvert à toutes les perspectives de développement des
stratégies de
contrôle moteur en s'appuyant d'une part, sur la puissance croissante des
micro-
ordinateurs compatibles PC et d'autre part, sur un principe de complète
autonomie
opérationnelle qui décharge considérablement l'activité temps réel de l'unité
centrale.
Ainsi, la présente invention concerne un procédé de pilotage d'un moteur à
combustion interne comprenant au moins un actionneur lié à un organe de
fonctionnement dudit moteur, une carte électronique comprenant un composant de
logique programmable, des moyens de synchronisation de ladite carte en
fonction du
cycle moteur, une unité centrale d'ordinateur (CPU). Selon l'invention :
- on génère par ledit composant, une pluralité d'impulsions de commande d'un
actionneur, lesdites impulsions étant paramétrables en phase et en durée,
indépendantes, rattachées à un même cylindre et synchronisées par un point de
référence angulaire dans le cycle moteur pour chacun des cylindres,
- on détermine lesdits paramètres des impulsions et on affecte lesdites
impulsions de ces paramètres par un programme de calcul inclus dans le CPU du
micro-
ordinateur à chacune des sorties-physiques,
- on commande au moins l'un des actionneur par un signal de sortie logique de
la
carte correspondant à au moins une des impulsions de commande.
La génération des impulsions peut se faire à une fréquence correspondante à la
fréquence du codage angulaire, et dans lequel le CPU du micro-ordinateur peut
déterminer les paramètres à une plus faible fréquence.
La synchronisation peut être obtenue à partir d'au moins l'un des capteurs
suivants
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*pour un moteur 2 temps: un codeur angulaire, une cible véhicule 58X;
*pour un moteur 4 temps: un capteur d'arbre à cames et au moins: un
codeur angulaire, ou une cible véhicule 58X.
L'invention concerne également un système de pilotage d'un moteur à
combustion interne, comprenant au moins un actionneur lié à un organe de
fonctionnement dudit moteur, une carte électronique comprenant un composant de
logique programmable FPGA, des moyens de synchronisation de ladite carte en
fonction du cycle moteur, un micro-ordinateur industriel. Dans le système:
= ledit composant comprend des moyens programmés pour:
- générer un point de référence angulaire dans le cycle moteur pour chacun des
cylindres,
- générer une pluralité d'impulsions de commande d'un actionneur paramétrables
en phase et en durée, lesdites impulsions étant indépendantes et rattachées à
un cylindre,
- le CPU du micro-ordinateur comporte des moyens de détermination des
paramètres des impulsions,
- des moyens de commande d'au moins l'un des actionneur par un signal de
sortie de la carte correspondant à au moins une des impulsions de commande.
Les moyens de synchronisation peuvent comprendre :
- pour un moteur 2 temps, au moins l'un des capteurs suivants: un codeur
angulaire, une cible véhicule 58X.
- pour un moteur 4 temps, un capteur d'arbre à cames et au moins l'un des
capteurs suivants : un codeur angulaire, une cible véhicule 58X.
L'actionneur peut être: un injecteur, une bougie d'allumage, une commande
électromagnétique de soupape, un tir de caméra LASER.
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La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus
clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de
réalisation, nullement
limitatif, illustrée par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles:
- la figure 1 représente schématiquement la mise én oeuvre de l'invention,
- la figure 2 décrit la structure et l'organisation des moyens de l'invention.
- la figure 3 montre un exemple de génération de signaux.
- la figure 4 décrit le fonctionnement simultané de la carte électronique
TIMER
PCI au sein d'un micro-ordinateur industriel compatible PC.
La figure 1 montre un moteur 2 piloté à l'aide d'un ordinateur 1 de type PC
qui
comporte une carte électronique 3 de type TIMER PCI. Le système est
synchronisé sur
les signaux d'un système de codification angulaire 9. Le système de
codification peut
être, soit un codeur angulaire délivrant une information "top tour" et une
information
"top angulaire" de résolution égale à 1 V, 1/2 V, 1/5 V ou 1/10 V sachant que
le
symbole V indique degré vilebrequin , soit une cible véhicule de type 58X
,
c'est à dire présentant 60 dents de résolution 6 V dont 2 dents consécutives
sont
absentes) fixé sur le vilebrequin du moteur 2. Un deuxième capteur de
synchronisation
10 -lié à l'arbre à cames- permet- d' assurer-la- reconnaissance- du- tour du
cylindre de --
référence (traditionnellement le cylindre n 1) pour un moteur, quatre temps
dont le cycle
de combustion est égal à deux tours. La référence 12 désigne un bloc de
conditionnement et de mise en forme des signaux de la codification angulaire.
La carte TIMER PCI est au format standard du bus PCI d'un micro-ordinateur
compatible PC. Elle est chargée de générer les impulsions de commande
d'actionneurs
(par exemple sur la figure 1: les injecteurs de carburant 7, les bougies
d'allumage 6) via
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des interfaces de puissances dédiées, par exemple un générateur d'étincelles 4
par un
multi-conducteur 13 ou une interface de puissance d'inj ection 11 par un multi-
conducteur 8, eux-mêmes reliés à la carte par un multi-conducteur 5.
La carte TIMER PCI se compose pour l'essentiel d'un composant de logique
5 programmable de type FPGA (Field Programmable Gate Array), d'un composant
réalisant l'interface avec le bus PCI du micro-ordinateur compatible PC, de
circuits
assurant l'isolation galvanique des entrées/sorties et de circuits fournissant
les
alimentations nécessaires.
Le composant FPGA contient l'ensemble des fonctionnalités réalisées par la
carte TIMER PCI. Elles sont décrites en langage VHDL (Very High Speed
Integrated
Circuit VHSIC Hardware Description Language).
L'organisation de ces fonctionnalités permet de générer jusqu'à 8 impulsions
de
commande par cylindre par cycle moteur, pour un moteur 2 ou 4 temps essence ou
diesel jusqu'à 4 cylindres.
Elle est basée sur la prise en compte de 4 entrées logiques complexes de
synchronisation issues d'une part, d'un système de codification angulaire du
vilebrequin
moteur tel que un codeur angulaire ou une cible véhicule 58X, et d'autre part,
d'un
capteur AAC (Arbre A Cames)-de-tout-type-
Elle permet de commander 16 sorties logiques complexes isolées
galvaniquement (découplage des masses) pour la génération. des impulsions de
commande (4 sorties par cylindre). Chaque impulsion de commande est paramétrée
pour chaque cycle moteur par un phasage et une durée. Le phasage est toujours
exprimé
en degré vilebrequin V selon une précision angulaire sélectionnée (1 V,
1/2 V,
1/5 V ou 1/10 V). La durée peut être exprimée en degré vilebrequin V selon
une
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précision angulaire sélectionnée (1 V, 1/2 V, 1/5 V ou 1/10 V) ou selon une
précision
temporelle sélectionnée exprimée en microseconde ( s).
L'objet de cette invention réside dans le principe de fonctionnement de la
carte
TIMER PCI qui garantit une opérabilité continue du moteur tout en déchargeant
l'activité temps réel du CPU (Central Processor Unit) du micro-ordinateur
industriel
compatible PC.
A chaque cylindre est adoptée une référence propre appelée " PMH
Combustion" (Point Mort Haut Combustion), sachant que l'ordre de
fonctionnement des
cylindres d'un moteur 4 temps est 1/3/4/2. Les 8 impulsions de commande (par
voie ou
par cylindre) sont programmables en phase et en durée par rapport à leur PMH
"combustion" respectif.
La figure 2 montre un schéma bloc du composant FPGA qui expose
l'organisation adoptée. Il se décompose en quatre sous-ensembles totalement
identiques
(du cylindre 1 au cylindre 4).
Chacun de ces schémas blocs est composé de :
-une génération (GEN-PMH) d'un PMH propre au cylindre considéré (PMH1,
PMH2; PMH3, PMH4), dans laquelle:
= E1 : entrée du signal top angulaire du codeur angulaire (1 V,
1/2 V, 1/5 V ou 1/10 V);
= E2 : entrée du signal AAC du capteur Arbre A Cames.
= E3 : entrée du signal top tour du codeur angulaire.
= E4 : entrée du signal de la cible véhicule 58X (roue de 60 dents dont
2 dents consécutives sont absentes).
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- une génération (GEN 1-4) de 8 impulsions indépendantes spécifiquement
rattachées au cylindre considéré, Fxy représentant un signal interne
caractérisé par la
présence d'une impulsion définie par un phasage et une durée par cycle moteur
sur le
cylindre considéré x, y de 1 à 8.
- un multiplexage (MULT) des 8 impulsions précédentes afin d'assurer une
distribution de celles-ci sur chacune des 4 sorties physiques, spécifiquement
rattachées
au cylindre considéré, Sxz : sortie z(1-4) d'un signal pouvant être la
combinaison des
signaux Fxy par cycle moteur sur le cylindre x
Cette distribution peut être opérée de manière souple par programmation et
permet d'orienter de 0 à 8 impulsions, dans un ordre quelconque, sur n'importe
lâquelle
des quatre sorties physiques.
Par impulsion, on désigne le protocole élémentaire de commande d'un
actionneur. Ladite impulsion se caractérise par la combinaison de deux
paramètres: le
"phasage" qui désigne la position angulaire du début ou de la fin de la
commande de
l'actionneur sur le cycle moteur considéré, la "durée" qui désigne, à partir
du "phasage"
ci-dessus, l'instant d'arrêt de la commande de l'actionneur sur le cycle
moteur considéré.
La figure-3 montre un exemple de génération d'un-signal-S 1-1--combinaison-
des- -
signaux F 11, F 12, F 13 et F 14 sur le référentiel, PMH 1 correspondant au
cylindre 1. Le
référentiel PMHl est constitué à partir des références E2 (AAC) et E3 (Top
tour).
On décrit ci-après deux exemples qui démontrent la flexibilité d'une telle
organisation.
Exemple n 1 : pilotage d'un moteur 4 cylindres essence 4 temps traditionnel.
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Le pilotage de ce moteur s'effectue à travers la commande de 4 bobines
d'allumage et de 4 injecteurs. Chacun de ces 8 actionneurs nécessite la mise à
disposition d'une sortie logique de la carte TIMER PCI. Enfin, chacune de ces
8 sorties
logiques doit présenter une impulsion élémentaire de commande caractérisée par
le
paramétrage de son phasage et de sa durée.
Le paramétrage logiciel de la carte TIMER PCI à partir du micro-ordinateur
compatible PC va donc consister à générer deux impulsions par cylindres et à
affecter
chacune de ces deux impulsions sur une sortie logique distincte. Ainsi, le
pilotage du
moteur considéré aura pu être réalisé sans aucune modification matérielle de
la carte
TIMER PCI.
Exemple n 2 : pilotage d'un moteur 4 cylindres diesel, Common Rail 4 temps à
injections multiples (8 injections par cycle moteur).
Le pilotage de ce moteur s'effectue à travers la commande de 4 injecteurs.
Chacun de ces quatre actionneurs nécessite la mise à disposition d'une sortie
logique de
la carte TIMER PCI. Enfin, chacune de ces 4 sorties logiques doit présenter un
ensemble de 8 impulsions élémentaires de commande caractérisées par le
paramétrage
de leur phasage et de leur durée.
L--e-par-amétrage logiciel de-la carte-TIMER PCI va donc consister-à-générer-8-
impulsions par cylindres et à affecter l'ensemble de ces huit impulsions. sur
1 seule
sortie logique. Ainsi, le pilotage du moteur considéré aura pu être réaliser
sans aucune
modification matérielle de la carte TIMER PCI.
Lorsqu'on analyse le principe opérationnel des calculateurs automobiles qui
garantissent le contrôle moteur d'un véhicule du commerce, la commande des
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actionneurs, qui nécessitent une synchronisation précise avec la révolution du
vilebrequin moteur, est opéré par le CPU (Central Processor Unit) du
calculateur dédié
au contrôle moteur.
En considérant l'exemple n 2, du pilotage d'un moteur 4 cylindres diesel
Common Rail 4 temps à injections multiples (8 injections par cycle moteur),
cela
signifie que le CPU du calculateur dédié au contrôle moteur est chargé de :
- gérer le pilotage de 32 impulsions (8 impulsions x 4 cylindres) par cycle
moteur à partir de la cible véhicule permettant de repérer la position
angulaire du
vilebrequin moteur,
- calculer en fonction des conditions de fonctionnement du moteur les 64
paramètres de commande (phasage et durée des 32 impulsions) par cycle moteur.
On peut également établir ce même constat en analysant le principe
opérationnel
des systèmes de développement en contrôle moteur avancé des bancs d'essais
moteur
R&D dont disposent les constructeurs et les équipementiers automobiles.
Dans le cadre du développement du système ACEboxTM équipé de la carte
TIMER PCI qui constitue le système de pilotage développé par la demanderesse
pour
ses besoins dans le domaine des bancs d'essais moteur R&D nécessitant un
contrôle
moteur--avancé, il a été choisi de miser-sur-une-technologie évolutive.-L-e-
principe adopté
dans le système ACEboxTM est basé sur l'utilisation d'un micro-ordinateur
industriel
compatible PC dans lequel est installé une ou plusieurs cartes TIMER PCI (une
carte
pour piloter 4 cylindres).
L'objet de cette invention réside dans la distinction de
- la gestion des impulsions de commande des actionneurs nécessitant une
synchronisation précise avec la révolution du vilebrequin moteur (ici réalisée
par la
carte TIMER PCI),
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- du calcul des paramètres de configuration de ces mêmes impulsions (réalisé
par le CPU du micro-ordinateur industriel).
En effet, l'évolutivité du système ACEboxTM obtenue grâce à la possibilité de
remplacer le CPU du micro-ordinateur industriel par un autre CPU plus
performant en
5 vue de garantir une évaluation temps réel des calculs du contrôle moteur de
plus en plus
pertinente et donc rapide, est d'autant plus efficace qüe ce même CPU est
déchargé de
la contrainte de devoir se charger du séquençage, ou synchronisation, en temps
réel des
impulsions de commande des actionneurs.
Le principe de décharge du CPU du micro-ordinateur industriel de la contrainte
10 de garantir le séquençage des impulsions de commande des actionneurs est
décrit dans
le synoptique de la figure 4, dans laquelle :
A désigne la tâche d'interruption du programme B . Elle est
chargée de prendre en compte tous les événements G .
B désigne le programme d'évaluation des paramètres de
configuration (phasage et durée) des impulsions de commande des
actionneurs. Ce programme doit également garantir l'évaluation de tous les
autres paramètres de configuration de tous les actionneurs du moteur.
- C-- - désigne la partie du-programme VHDL- du- composant de -
logique programmable FPGA de la carte TIMER PCI qui assure, d'une part,
la régénération en temps réel des référentiels angulaires (PMH) des 4
cylindres et, d'autre part, la génération des événements G par corrélation
des événements de synchronisation E et F .
01 à D4 désignent les 4 parties identiques du composant de
logique programmable FPGA de la carte TIMER PCI qui assure la
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synchronisation angulaire des impulsions de commande des actionneurs
pour les 4 cylindres.
E désigne les événements issus du système de codification
angulaire du vilebrequin moteur tel que un codeur angulaire ou une cible
véhicule 58X.
F désigne les événements issus de la codification angulaire de
l'arbre à cames pour un moteur 4 temps (exemple : capteur AAC).
G désigne les événements de synchronisation du programme
d'évaluation des paramètres du contrôle moteur. La fréquence de cet
événement est généralement égale à la fréquence du PMH Combustion
des 4 cylindres d'un moteur c'est à dire toutes les demie révolutions du
vilebrequin moteur. Elle peut atteindre une fréquence égale à la cible
véhicule 58X c'est à dire tous les 6 V.
H désigne les paramètres de configuration des impulsions de
commande des actionneurs pilotés par la carte TIMER PCI.
I désigne les 4x4 signaux de sortie TTL (S 11 à S44 - figure 2)
de pilotage de la carte TIMER PCI.
---Le- synoptique- de - la figure- 4 permet- de mettre en - évidence--le-
fonctionnement--
simultané de la carte TIMER PCI et du programme de gestion du contrôle moteur
du CPU.
du PC industriel.
La carte TIMER PCI, telle que décrite, garantit un pilotage précis et rapide
du
moteur selon la boucle BCL1:
- précis, car la définition des paramètres des impulsions de commande des
actionneurs peut atteindre une résolution de 0,1 V et/ou 1 s.
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- rapide, car le découpage du cycle moteur à 0,1 V et/ou 1 s permet de
minimiser les temps de réponse des signaux de commande.
Les paramètres de commande des impulsions de commande des actionneurs de la
carte TIMER PCI sont mis à jour selon la boucle BCL2 dont la fréquence peut
atteindre un
rythme 1800 fois moins rapide que la fréquence de la boucle BCL1 (par exemple
: la
boucle BCL2 opérée tous les PMH Combustion sur un moteur 4 cylindres et la
boucle
BCL1 tous les 0,1 V).
L'objet de cette invention réside dans l'autonomie opérationnelle de la carte
TIMER PCI qui permet de garantir le pilotage continu du moteur selon la boucle
BCL1
sans nécessiter une sollicitation aussi intense de la boucle BCL2 qui fait
intervenir le
programme qui effectue la mise à jour des paramètres de commande. Ainsi, dans
un cas
extrême où l'on serait conduit à interrompre la boucle BCL2, le pilotâge des
actionneurs
du moteur continue à être assuré par la boucle BCL 1 avec des paramètres de
commande et
de contrôle constants correspondant à la dernière remise à jour.
