Présentation du système de gestion groupe motopropulseur

« PCS »

1 – Généralités

Le système PCS est un calculateur à hardware modulaire et software évolutif, destiné à piloter

les moteurs et / ou boite de vitesses en compétition automobile ou tout autres sports

mécaniques utilisant un moteur. Il est également utilisable dans le secteur industriel comme

système de prototypage rapide de calculateurs de contrôle/régulation pour des process mettant

en œuvre des moteurs électriques ou des actuateurs électromagnétiques, notamment grâce à sa

possibilité d’interfaçage avec Matlab/Simulink via une librairie dédiée.

Dans sa version actuelle, le hardware permet de piloter tout type de moteur à allumage

commandé jusqu’à 10 cylindres en bobines et injecteurs indépendants, avec papillon motorisé

et dispositif de déphasage arbre à cames et d’admission variables tout ou rien.

Il permet également de faire de l’acquisition de données grâce à 1Mo de mémoire vive.

Sa programmation se fait par un logiciel IHM « PCSLab » sur PC fonctionnant sous

Windows, qui permet de gérer tous les aspects de fonctionnement du calculateur, de la

programmation du soft jusqu’à la mise au point des cartographies au banc ou sur route.

2 – Caractéristiques techniques du hardware

Dans un souci d’évolutivité et de souplesse vis-à-vis des différentes applications possibles,

l’architecture du calculateur est modulaire :

Un version complète dispose en effet de 3 cartes électroniques :

- une carte mère intégrant le processeur, sa mémoire vive, toutes les entrées/sorties

basse puissance et analogiques, ainsi que les ports de communication et 2 sorties de

puissances PWM.

- Une carte fille d’acquisition des signaux de capteurs de régime, par exemple pour le

capteur vilebrequin, arbre à cames et roues permettant d’utiliser quasiment tous les

types de capteurs existant en série, y compris les capteurs inductifs actifs

- Une carte fille de puissance pouvant disposer jusqu’à 20 sorties, par exemple 10 pour

des bobines d’allumages, 10 pour des injecteurs (autre répartition possible), ainsi que

de deux autres sorties PWM ou de deux ponts en H pour piloter jusqu’à deux papillons

motorisés par exemple.

Cette architecture modulaire permet de se passer de certaines fonctions qui peuvent être

inutiles suivant les applications, comme par exemple la carte puissance et la carte acquisition

signaux régime qui sont inutiles sur les applications Clio RS Gr.N, où ces fonctions sont

« prélevées » sur le calculateur d’origine, d’où gain significatif de place.

Les prochaines évolutions permettront d’avoir 12 sorties bobines et 12 sorties injecteurs, mais

aussi une interface pour carte mémoire SD afin de faire de l’acquisition de données sur

stockage de masse. Le développement d’une carte de puissance pour piloter des injecteurs

Diesel Common-rail ou injecteurs-pompes est aussi envisagée si la demande pour ce types de

motorisation en compétition venait un jour à s’élargir.

Caractéristiques détaillées :

Carte mère :

- Processeur 16 bits / 40Mhz avec coprocesseur arithmétique DSP/MAC unit 40bits et 256 Ko

de flash interne (stockage programme et cartographies)

- 1Mo de RAM servant pour la mise au point (contient une « page de travail » de

cartographies) et pour l’acquisition de données.

- 5 entrées TOR 0-15V

- 6 sorties TOR 500mA collecteur ouvert dont 1 réservée sortie compte-tours

- 2 sorties puissance TOR ou PWM 10A collecteur ouvert (ressource partagée avec pont en H

n°2 sur carte puissance)

- 4 entrées TOR capteur régime

- 1 interface bus CAN 2.0b

- 1 interface RS232

- 1 interface Ethernet TCP/IP (ressource partagée avec port série au niveau du

microcontrôleur)

- 1 entrée pour codeur angulaire à quadrature

- 16 entrées analogiques, dont une réservée pour mesure tension batterie et une autre pour une

mesure de pression atmosphérique en interne boitier. Les autres entrées sont configurables

individuellement par microswitch pour un capteur actif (par ex. pression collecteur) ou passif

(par ex. sonde de température).

Carte acquisition signaux régime :

- 4 entrées pour capteurs à reluctance variable compatible Renault (non blindés impédance

faible) et PSA (blindés à impédance plus élevée), ou tout autre type de capteur actif (effet

hall, inductif, etc…

Carte puissance moteur allumage commandé :

- jusqu’à 10 sorties puissance bobines (7A / 300V)

- jusqu’à 10 sorties puissance pour injecteurs impédance > 10 ohms

- jusqu’à 2 ponts en H 40V/12A (par ex. commande 2 papillons motorisés)

Logiciel ECU :

Software basé sur un système tâches temps réel / tâches synchrones moteur.

Système de cartographies par allocation mémoire : toutes les cartographies sont modifiables

en dimensions de manière individuelles et indépendantes (chaque cartographie possède ses

propres breakpoints), les valeurs de breakpoints sont modifiables pendant la mise au point et

sont indépendants pour chaque cartographie.

Fonctionnement de mise au point cartographies par pages de travail en RAM, images des

cartographies présentes dans l’IHM sur PC (fonctionnement analogue à un calculateur de

développement série).

L’ensemble permet de manière très simple d’ajouter des stratégies associées à des

cartographies, mais aussi permet à l’utilisateur depuis l’IHM sur PC de configurer lui même

l’affectation des entrées et sorties aux différentes fonctions et capteurs nécessaires.

Les stratégies actuelles permettent de piloter un moteur en charge par ouverture papillon ou

pression collecteur, en Ti ou Quantité injectée, moteur atmosphérique ou suralimenté, avec ou

sans papillon motorisé, (possibilité de piloter deux papillons motorisés de manière

indépendante). Il est également possible d’utiliser (sur demande) des stratégies de contrôle

moteur plus évoluées (estimateur / prédicteur de débit d’air par ex., structure couple …)

Le coprocesseur DSP permet de bénéficier de fonctions avancées de filtrage numérique des

signaux très rapides en temps d’exécution µC.

Le pilotage d’un déphaseur d’arbres à cames ainsi que d’une admission variable sont présents,

ainsi que la gestion d’un quickshift, et bientôt d’un antipatinage (évolué utilisant des capteurs

de roues ou seulement simplifié basé uniquement sur l’accélération moteur).

Il est également possible de piloter des fonctions annexes telles que shift light, témoin sur-

régime, témoin générique (alarme quelconque), GMV bi-vitesses, etc… (dans la limites des

sorties disponibles). Des stratégies spécifiques pour les moteurs suralimentés seront

également implantées prochainement (bang-bang, régulation de pression asservie, etc…)

L’interfaçage avec les tableaux de bord Magneti Marelli (MT300 type Clio cup, MT940) est

également possible.

L’interfaçage avec un data logger Magneti sur bus CAN (DAS3/DAS4) est également

possible.

Un data logger utilisant la RAM permet d’enregistrer jusqu’à 16 canaux à une fréquence

sélectionnable par l’utilisateur (enregistrement synchrone au PMH, ou toutes les

4,16,64,128,256 ou 512 ms). Un système de maintient automatique de l’alimentation de la

mémoire par pile lithium permet de conserver les données en cas d’arrêt moteur.

Les prochaines versions de carte mères intègreront un port SDCard pour de l’acquisition de

données jusqu’à 1Go (capacité actuelle des cartes SD).

Quelques vues de détail de l’électronique :

La carte mère dans sa version pré-série.

Carte mère dans sa version actuelle

vue intérieur boîtier avec carte d’acquisition signaux rpm au dessus

Boîtier assemblé avec connecteur pour version 4 cylindres

Logiciel sur PC (IHM) :

Le logiciel PcsLab, fonctionnant sous windows, permet d’exploiter l’ensemble des

fonctionnalités du calculateur, depuis le flashage du soft calculateur jusqu’à la mise au point

des cartographies. Il dispose d’une interface utilisateur conviviale et permet une mise au point

au banc moteur aisée grâce à la modification directe des cartographies soit par entrée directe

de valeurs, soit par une boite à boutons virtuelle agissant sur les cartographies d’avance à

l’allumage et de quantité injectée au niveau du point de fonctionnement moteur en cours.

La gestion des variables et des cartographies se fait par bases de données. Il est ainsi possible

de définir différents environnements spécifiques, ayant leur propre jeu de variables et fenêtres

d’afficheurs. Il est possible de visualiser l’ensemble des variables systèmes présentes en

mémoire.

Un système inédit de protection des données est en cours de déploiement. Il permet la

protection de l’accès aux cartographies par des personnes non autorisées, même si elles

disposent des fichiers (fichiers cryptés). En revanche, cette protection n’empêche non

seulement pas l’utilisateur final d’utiliser l’IHM à des fins de diagnostic (visualisation des

variables de fonctionnement), mais lui permet de reflasher si besoin le soft et les

cartographies, même s’il n’a pas accès à leur contenu.

D’autre part, une protection vis-à-vis des différents clients « préparateurs » existe : Un

système de signature préparateur a été mis en place, il s’agit d’un code unique pour chaque

client préparateur (c’est-à-dire toute personne devant avoir accès aux cartographies),

accompagné d’un n° de série également présent en cartographies et en mémoire programme,

librement définissable par le préparateur. Ces deux clés permettent d’appairer cartographies,

soft et calculateur afin qu’un jeu de cartographies non seulement ne puisse pas être ouvert par

n’importe qui, mais en plus qu’il ne soit pas flashable avec n’importe quel soft ou n’importe

quel calculateur.

Le logiciel est en développement continu. De nouvelles fonctions prévues apparaîtront au fur

et à mesure du développement, comma par exemple :

- édition graphique des cartographies (en 2D par lignes ou par colonnes)

- Afficheurs de variables graphiques (jauges, compte-tours….)

- Interface avec boite à boutons externe

- Communication TCP/IP avec le calculateur via câble Ethernet ou borne Wifi

- Edition graphique des données issues du data logger

- …

Ci-après quelques copies d’écran de la version actuelle :

Vue générale de l’application avec 2 cartographies affichées et l’arborescence cartographies.

Exemples d’afficheurs de variables, avec à gauche la fenêtre de gestion des variables système,

à droite la fenêtre de gestion des boites d’affichages de variables. Les afficheurs de variables

alphanumériques peuvent être configurés individuellement en titre / couleur de fond, et

chaque variable peut également être configurée de manière indépendante en taille, couleur et

type de police d’écriture.

Fenêtre de configuration du data logger

Boite à boutons virtuelle pour modifier en

direct l’avance et l’injection. Le pas de modification est réglable séparément pour l’avance et

l’injection, un témoin vert/rouge indique si le point de fonctionnement moteur correspond à

un breakpoint régime / charge des cartographies d’avance et d’injection, les valeurs de

breakpoints qui seront modifiées étant affichées à côté. Les valeurs de cartographies

correspondant aux breakpoints affichés sont tout le temps modifiées après incrémentation ou

décrémentation par l’utilisateur, même si le point de fonctionnement moteur n’est pas bien

calé sur les breakpoints, ceci afin de toujours avoir la main sur les valeurs en cas d’urgence.

Les valeurs modifiées par ce biais apparaissent en rouge dans la cartographie correspondante

si elle affichée en même temps.

Il est également possible, durant la mise au point, de travailler directement dans la

cartographie de manière plus classique, soit en rentrant directement les valeurs désirées, soit

en appuyant sur une touche du clavier pour incrémenter ou décrémenter la ou les valeurs

sélectionnées.

Lorsque l’édition graphique sera fonctionnelle, il sera également possible de travailler

directement sur un courbe de cartographie (ligne ou colonne) pendant la mise au point avec

modification immédiate du ou des points de cartographie correspondants.

Fenêtre d’affichage d’état de la gestion angulaire moteur.

Grâce à cette fenêtre, il est très facile de vérifier le bon fonctionnement d’un capteur de

vilebrequin et de phase.

Fenêtre de gestion des cartographies, qui sont classées par catégories. Il est possible de

changer la dimension de chaque cartographie depuis cette fenêtre, mais aussi de modifier les

variables d’entrées de breakpoints, laissant par exemple libre choix à l’utilisateur de

sélectionner n’importe laquelle des entrées analogiques comme entrée de température d’eau,

ou de sélectionner n’importe quelle autre variable que la position papillon pour définir la

charge moteur.

Le seul lien avec la couche logicielle calculateur qui ne peut être changé par l’utilisateur est

l’adresse de la table d’allocation, qui permet au calculateur de savoir retrouver une

cartographie en mémoire quelle que soit sa dimension ou celle des autres cartographies.

Pour chaque cartographie, il est possible d’inscrire un commentaire enregistré en mémoire

calculateur.