Dispositifs électrohydrauliques à commande proportionnelle

→ J. Marsot,
Département Ingénierie
des équipements de travail,
Centre de Lorraine,
INRS, Nancy
Dispositifs
électrohydrauliques
à commande
proportionnelle
ND 2182-189-02
I
Cahiers de notes documentaires - Hygiène et sécurité du travail - N° 189, 4etrimestre 2002

→ J. Marsot,
Département Ingénierie
des équipements de travail,
Centre de Lorraine,
INRS, Nancy
C
e document présente les résultats d'une étude sur les distributeurs électrohydrauliques
proportionnels utilisés pour la commande des mouvements de machine.
Après un bref rappel des différents principes de fonctionnement de ces dispositifs, cet
article montre qu’ils peuvent conduire à des commandes inappropriées de mouvement
(variation de vitesse, inversion de sens, mise en mouvement) en présence de défaillances
et/ou de perturbations environnementales d’origine électrique. Ensuite, différentes voies de
solutions techniques sont proposées afin d’éviter que ces dysfonctionnements soient à l’ori-
gine de situations dangereuses pour les opérateurs.
distributeur électrohydraulique proportionnel machine sûreté de fonction-
nement
dysfonctionnement mesure de prévention
PROPORTIONAL ELECTRO-
HYDRAULIC VALVES
This article presents the results of a
study on proportional electrohydrau-
lic valves used to control machine
movements.
After a brief reminder of the different
operating principles, the author then
goes on to show that these devices can
lead to inappropriate movement com-
mands (variation in speed, reversal of
direction, setting in motion) in the pre-
sence of environmental failures and/or
electrical disturbances. Technical solu-
tions are proposed to avoid these mal-
functions being at the source of hazar-
dous situations for the operators.
proportional electronic valve
machinery operational safety
malfunction prevention measure
Dispositifs
électrohydrauliques
à commande
proportionnelle
ND 2182-189-02
I
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Cahiers de notes documentaires - Hygiène et sécurité du travail - N° 189, 4etrimestre 2002
L
a technique des distributeurs élec-
trohydrauliques à commande pro-
portionnelle associe à la puissance
de l'hydraulique, la précision et la
souplesse de l'électronique [Dorr et coll.,
1986]. Cette technique a pris son essor
avec le développement de cartes électro-
niques et de distributeurs de conception
simple. De tels dispositifs sont présents
dans des machines possédant des entraî-
nements et des commandes hydrauliques.
C'est notamment le cas des machines des-
tinées au levage ou au transport de
charges et/ou de personnes, où ils sont
entre autres utilisés pour la commande des
vitesses de déplacement [Industries et
Techniques, 1997 ; Danfoss, 1996]. Sur ces
installations, une brusque variation de
vitesse peut être à l'origine de situations
dangereuses pour l'opérateur ; risque de
chute suite à la perte de stabilité de la
nacelle, risque d’écrasement ou d’électro-
cution suite à une collision avec un obs-
tacle extérieur [Marsot, 1998]. Ce type de
dispositif ne doit pas être confondu avec
les servovalves [Dorr et coll., 1986 ;
Guillon, 1992]. Ces dernières sont réser-
vées à la réalisation d’asservissements de
forte puissance et/ou de précision élevée
(commande de vol des avions, par
exemple).
1. Principe
de fonctionnement
d’un distributeur
proportionnel
Un distributeur à commande propor-
tionnelle n’est en fait qu’un élément d’un
dispositif comprenant un manipulateur, un
ou deux solénoïdes proportionnels et une
carte électronique de traitement du signal,
qui peut être intégrée ou non dans le
corps des solénoïdes (cf. fig. 1, page sui-
vante).

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Cahiers de notes documentaires - Hygiène et sécurité du travail - N° 189, 4etrimestre 2002
Carte
électronique
Distributeur
Manipulateur
Solénoïdes
proportionnels
Te ns i on
Tension
Tension
Angle
Capteur de position
optionnel
Courant
Courant
R (échappement)R
A (utilisation)A
P (pression d'alimentation)
Fig. 1. Schéma de principe d’un dispositif à commande proportionnelle -
Schematic diagram of a proportional device
Fig. 2. Arbre de défaillance d’un distributeur à commande proportionnelle
- Fault tree of a proportional valve
Fig. 3. Banc de tests. - Test bench
Le manipulateur délivre une tension
électrique proportionnelle à son déplace-
ment angulaire. Une carte électronique de
traitement, propre à chaque distributeur,
transforme ensuite cette tension en un
courant électrique. Le solénoïde propor-
tionnel opère la transformation de ce cou-
rant en un déplacement (ou en une force),
directement appliqué au tiroir du distribu-
teur. Ce dernier délivre ainsi un débit (ou
une pression) hydraulique, proportionnel
au déplacement angulaire du manipula-
teur. Lorsque les solénoïdes ne sont pas
excités (manipulateur en position neutre),
la position du tiroir du distributeur est
obtenue par des ressorts de rappel.

En option, certains distributeurs peuvent
être équipés d’un capteur qui recopie la
position réelle du tiroir pour la retrans-
mettre à la carte électronique. On parle
alors de distributeur à rétroaction élec-
trique. La tension délivrée par ce capteur
est comparée à la valeur de consigne, ce
qui constitue une boucle de régulation de
position, destinée à diminuer l’hystérésis
et le défaut de reproductibilité du distribu-
teur proportionnel. Le choix d’un distribu-
teur avec ou sans rétroaction dépend
essentiellement des performances fonc-
tionnelles demandées par l’application :
précision, effort, reproductibilité, etc.
2. Étude de sûreté
de fonctionnement
Cette analyse de sûreté de fonctionne-
ment des dispositifs à commande propor-
tionnelle a été réalisée selon la méthode
des Arbres de Défaillance (AdD) [Limnios,
1991]. C’est une démarche déductive qui a
pour but de rechercher l'ensemble des
événements ou combinaisons d'événe-
ments élémentaires qui peuvent conduire
à un événement redouté (fig. 2). Dans le
cas présent, l’événement redouté recher-
ché était un mouvement intempestif (mise
en marche, inversion de sens, variation de
vitesse).
L’arbre obtenu met en évidence diffé-
rents types de défaillances, selon qu’elles
sont d’origine mécanique (rupture de res-
sorts), hydraulique (fuites) ou électrique
(défaillance de composant, perturbations
CEM). Si les causes d’origine mécanique
et/ou hydraulique (cases grisées de
l’arbre) peuvent être exclues en cas de
fabrication, de dimensionnement et d’utili-
sation correctes du distributeur ; il n’en est
pas de même pour les défaillances d’origi-
ne électrique [prEN 954-2, 2000 ;
Kleinbreur et coll., 1999]. Ce sont donc
uniquement ces dernières qui ont été
approfondies par une étude expérimenta-
le de type « boîte noire ».
2.1. Étude expérimentale
Cette étude expérimentale en présence
de défauts électriques (coupure, court-cir-
cuit, perturbations électromagnétiques,
etc.) a nécessité d’une part, l’approvision-
nement d’un échantillon représentatif des
distributeurs à commande proportionnelle
disponibles sur le marché français (
1
)
(tableau I) et d’autre part, la mise au point
d’un banc de tests (cf. fig. 3). Ce dernier
permet de piloter la montée et la descente
d’une charge (
2
) à l’aide du dispositif testé
dont le comportement est analysé à l’aide :
•d’un capteur de déplacement relié à la
charge,
• de différents capteurs de pression,
• de la visualisation, sur un oscillosco-
pe, de ses différents signaux électriques de
commande.
2.1.1. Comportement
en présence de défauts
Les défauts qui ont été appliqués à ces
dispositifs sont des coupures, des courts-
circuits ou des mises à la masse des diffé-
rents conducteurs accessibles (tableau II).
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COMPORTEMENTDESDISPOSITIFSSOUSTESTS
EN PRÉSENCE DE DÉFAUTS D’ORIGINE ÉLECTRIQUE
- B EHAVIOUR OF THE DEVICES UNDER TEST IN THE PRESENCE OF ELECTRICAL FAULTS
TABLEAU II
Défaut Comportement du dispositif
Coupure de l’alimentation électrique Le manipulateur devient inopérant. Le distributeur se
(+24 V) du manipulateur met en position neutre (charge immobile) sur tous
Coupure de l’alimentation électrique les dispositifs testés.
du potentiomètre du manipulateur
Coupure de masse du manipulateur
Coupure de l’alimentation électrique Le distributeur reste bloqué en position neutre (charge
du distributeur immobile) sur tous les dispositifs testés.
Mise à la masse (ou court-circuit) Pour les dispositifs A, B , D et E on observe
du signal de commande du solénoïde une descente (ou une montée) à pleine vitesse de la
charge. Seul le dispositif C se met en position neutre
(charge immobile).
Coupure de masse du solénoïde Les distributeurs se mettent en position neutre
(charge immobile) sauf pour le distributeur D
qui fonctionne normalement.
TYPESDEDISTRIBUTEURÀCOMMANDEPROPORTIONNELLEAPPROVISIONNÉS
- T YPES OF PROPORTIONAL COMMAND VALVES TESTED
TABLEAU I
Distributeur
Code Symbole Avec ou sans Electronique Avec son propre
rétroaction électrique manipulateur
AAvecIntégréeNon
BAvecIntégréeOui
CAvecIntégréeOui
DSansSéparéeNon
EAvecIntégréeOui
(
1
) Cette sélection, effectuée au moment de la cam-
pagne d'essais, ne revêt aucun caractère exhaustif.
(
2
) 265 kg : charge utile maximale de la plupart des
nacelles élévatrices de 2 personnes.