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Mécatronique



par Jean-Claude Therace


Systèmes et composants mécatroniques

Définition


Le terme « mécatronique » résulte de la contraction de mécanique et d'électronique. La mécatronique s'intéresse aux aspects matériel (hardware) et logiciel (software) de l'électronique et à la mécanique dans son acception la plus large : elle inclut aussi l'hydraulique. Elle constitue une approche et une méthodologie de conception pluridisciplinaire nullement axée sur une « électronisation » de la mécanique. Sa finalité est de regrouper et d'optimiser les aspects mécanique, électronique et informatique des produits de façon à pouvoir augmenter le nombre de leurs fonctionnalités tout en améliorant leur qualité et en réduisant leur coût, leur poids et leur encombrement.

La réussite d'une application mécatronique passe par une vision globale des différentes disciplines jusqu'alors séparées et par la recherche de solutions pluri techniques.

Applications

Les systèmes et composants mécatroniques sont désormais omniprésents dans l'automobile. Leurs principaux domaines d'utilisation sont la gestion des moteurs, l'injection essence et diesel, la commande des boîtes de vitesses, la thermo gestion, la gestion énergétique des véhicules, les systèmes de freinage (ABS, EBS,…)(1) , les systèmes de régulation du comportement dynamique (ESP, ASR….)(2) , sans oublier les systèmes de communication et d'information aux contraintes les plus diverses en termes d'ergonomie et de fonctionnalités de commande. La mécatronique joue par ailleurs un rôle de plus en plus important dans le domaine de la micromécanique.

Exemples de systèmes mécatroniques Une tendance générale se dessine dans l'évolution des systèmes d'aide à la conduite et d'assistance au conducteur : les systèmes purement mécaniques cèdent de plus en plus souvent la place à des systèmes de type « X by wire ».

L'une des premiers systèmes de ce genre à avoir vu le jour est l'accélérateur électronique (« drive by wire »).

Les systèmes « brake by wire » (EMB, SBC, EBS)(3) permettent de s'affranchir de toute liaison hydromécanique entre la pédale de frein et les freins de roue. Des capteurs enregistrent les ordres de freinage du conducteur et les transmettent sous forme de signal électrique à une unité de commande électronique qui agit en conséquence sur les roues par l'intermédiaire d'actionneurs.

Le frein électrohydraulique SBC (Sensotronic Brake Control) constitue un exemple déjà commercialisé de système « brake by wire ». Lors de l'actionnement de la pédale de frein ou d'action stabilisatrice du contrôle dynamique de trajectoire ESP (Electronic Stability Program), le calculateur SBC détermine la pression de freinage à appliquer au niveau de chacune des roues. Le mode de calcul séparé des pressions de freinage à exercer sur chacune des roues et de saisie séparée des valeurs réelles permet au calculateur SBC de réguler individuellement la pression de freinage de chaque roue par l'intermédiaire des modulateurs de pression. Les quatre modulateurs de pression du système SBC sont constitués chacun d'une électrovanne d'admission et d'une électrovanne d'échappement pilotées de concert par le biais d'étages de sortie électroniques, de façon à obtenir un dosage extrêmement précis de la pression.

Le système Common Rail se distingue des systèmes d'injection conventionnels par le découplage des fonctions « génération de pression » et « injection ». Une rampe haute pression, appelée « Common Rail », servant d'accumulateur haute pression maintient constante la pression du carburant à un niveau déterminé par les conditions de fonctionnement du moteur. L'injecteur piloté par électrovanne qui est affecté à chaque cylindre injecte le carburant sous pression directement dans la chambre de combustion. Les informations fournies par les capteurs de position d'accélérateur, de régime, de température, d'admission d'air frais et de pression de rail permettent à l'électronique de gestion moteur de doser de façon optimale le débit de carburant en fonction des besoins réels du moteur.

Exemples de composants mécatroniques

Les injecteurs sont les éléments-clés de l'évolution de la technologie des moteurs diesel. L'exemple des injecteurs Common Rail illustre à merveille le fait que le développement de nouvelles fonctionnalités et l'amélioration des performances routières et de l'agrément de conduite qui en découlent passent par une parfaite maîtrise de tous les domaines physiques (électrodynamique, mécanique, dynamique des fluides).

Les lecteurs de CD embarqués sont soumis à des contraintes environnantes particulièrement sévères : la mécanique et l'électronique de haute précision de ces appareils sont particulièrement exposées aux vibrations ainsi qu'aux fluctuations de température.

Pour empêcher que les vibrations qui apparaissent inévitablement pendant la conduite n'atteignent l'unité de lecture proprement dite, les lecteurs disposent en général d'un système de suspension de type ressort amortisseur. La volonté de réduire encore davantage le poids et l'encombrement des lecteurs de CD ont incité certains fabricants à concevoir des lecteurs exempts de tels systèmes. Dotés d'une partie mécanique à très faible jeu, ces lecteurs réalisent une amplification supplémentaire dans le domaine des hautes fréquences pour améliorer la qualité des asservissements de focalisation et de suivi de piste.

La solution idéale pour obtenir une bonne tenue aux vibrations pendant la marche consiste à combiner ces deux principes et donc à opter pour une solution mécatronique. Cette technologie permet à l'heure actuelle d'alléger les lecteurs d'env. 15 % tout en gagnant à peu près 20 % en hauteur.

Comme autre exemple de réalisation mécatronique, on peut citer les nouveaux moteurs de ventilateur à pilotage électrique constitués de moteurs courant continu sans balais, à commutation électronique (moteurs BLDC)(4). Associant un circuit électronique, ces moteurs sont dans un premier temps plus onéreux que les moteurs à courant continu classiques équipés de balais. En termes d'optimisation globale du système de refroidissement, la mise en oeuvre de moteurs BLDC présente toutefois des avantages du fait de leur utilisation possible en tant que moteur de « type humide »(5) de conception nettement plus simple, avec 60% de pièces en moins par rapport à un système conventionnel. Cette plus grande robustesse se traduit par une durée de vie double, un poids réduit de moitié et un gain d'encombrement de l'ordre de 40%, pour un prix de revient somme toute équivalent.

Exemples d'applications mécatroniques dans le domaine de la micromécanique

Les capteurs micromécaniques constituent un autre domaine de prédilection de la mécatronique. Parmi les réalisations les plus connues figurent les débitmètres massiques à film chaud et les capteurs de lacet.

Le développement de microsystèmes réclame également, en raison de l'étroite imbrication des différents sous-systèmes une approche interdisciplinaire incluant la mécanique, l'électrostatique, l'électronique et au besoin la dynamique des fluides.

Méthodologie de développement

Simulation

Le principal problème qui se pose aux concepteurs de systèmes mécatroniques réside dans le fait que le temps imparti au développement est toujours plus court alors que la complexité des systèmes et les exigences en matière de sûreté de conception ne cesse de croître.

Les systèmes mécatroniques complexes comportent un grand nombre de composants de type hydraulique, mécanique et électronique. Les interactions entre les différents composants conditionnent dans une large mesure le fonctionnement et le comportement de l'ensemble du système. Lors des premières phases de développement où il n'existe encore aucun prototype, les modèles de simulation jouent un rôle crucial pour l'étude et le contrôle des choix de conception.

Pour les choix fondamentaux, une modélisation relativement grossière des différents composants est souvent suffisante. Les analyses plus approfondies requièrent des modélisations beaucoup plus poussées. Les modèles détaillés privilégient généralement un domaine physique particulier :

— Il existe par exemple des modèles hydrauliques détaillés d'injecteurs Common Rail permettant de simuler parfaitement, par des méthodes de calcul numériques spécifiques, leur comportement hydraulique. Les modèles utilisés prennent notamment en compte les phénomènes de cavitation qui peuvent jouer un rôle très important.

— D'autres modèles détaillés servent à la conception de l'électronique de puissance en charge du pilotage des injecteurs. Pour la réalisation de ces modèles, les concepteurs font appel à des outils de simulation dédiés à la conception de circuits électroniques.

- Le développement et la simulation du logiciel chargé, au sein du calculateur électronique, de piloter la pompe haute pression et l'électronique de puissance sur la base des informations fournies par les capteurs, s'effectuent là aussi au moyen d'outils spécialement conçus pour cette partie du système.

- Comme les différents composants interagissent au sein du système, il ne suffit pas d'étudier de façon isolée les modèles détaillés propres à chaque composant. Il est impératif, lors de l'étude d'un composant sur la base de son modèle, de prendre en compte les modèles relatifs aux autres composants. Une modélisation simplifiée des autres composants est alors souvent suffisante. Les concepteurs ne requièrent p. ex. pour la simulation de la partie hydraulique du système qu'un modèle général, pas très détaillé de l'électronique de puissance.

— La mise en oeuvre, lors du développement de systèmes mécatroniques, d'outils de simulation différents pour chaque domaine ne présente toutefois un réel intérêt que si les outils en question sont capables de communiquer entre eux et notamment d'échanger des modèles et des paramètres. Du fait que la plupart des outils de simulation utilisent des langages de programmation différents, un échange direct de modèles est souvent difficile.

— Dans la pratique, les concepteurs font appel, dans chaque domaine, à un nombre limité d'éléments standard pour réaliser les composants typiques des systèmes mécatroniques.

Ci-dessous quelques exemples d’éléments standards :

• domaine hydraulique : réducteur de débit, valve, conduite ;

• domaine électronique : résistance, condensateur, transistor ;

• domaine mécanique : masse avec frottement, réducteur, accouplement (idem pour la micromécanique).

Perspectives

La mécatronique profite largement de l’essor que connaît la microélectronique. Les progrès réalisés dans la technologie des systèmes informatiques permettent par ailleurs d’intégrer de série dans les systèmes mécatroniques des calculateurs de plus en plus performants. Leur énorme potentiel de développement les prédestine à la réalisation de nouveaux systèmes permettant d’accroître encore d’avantage la sécurité et le confort tout en réduisant les émissions polluantes et la consommation de carburant.

Les nouveaux systèmes « X by wire » devront, malgré l’absence de toute assistance de secours (BackUp) mécanique ou hydraulique, rester opérationnels même en cas de défaillance de l’un des composants. Cela présuppose une architecture mécatronique extrêmement fiable et disponible devant apporter, par des moyens simples, la preuve de son efficacité sur le plan de la sécurité. Les mêmes critères de sécurité devront s’appliquer aux composants et aux supports de transmission d’énergie et de signaux.

Sources : Robert BOSCH GmbH

Recueil J-Cl. THERACE 2004,

MAJ 24/09/2008

1) ABS : Système antiblocage. EBS : Freins électroniques

2) ESP : contrôle dynamique de la trajectoire. ASR : régulation d’anti patinage.

3) EMB : freins électromécaniques. SBC : freins électro hydrauliques (Sensotronic Brake Control).

4) BLDC : BrushLess DC-motor ; moteur à courant continu sans balais, à commutation électronique.

5) P/ex: pompes nourrices immergées.

(© Jean-Claude Therace)
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Sommaire

Idée & conception © 1999-2011 van Damme Stéphane.


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