EP2303744B1 - Procede de reglage de la boucle de vitesse d'un variateur de vitesse - Google Patents

Description

• La présente invention se rapporte à un procédé de réglage d'une boucle de régulation de vitesse d'un variateur de vitesse, le variateur de vitesse pilotant un moteur électrique synchrone ou asynchrone destiné à entraîner une charge de levage, en particulier une cabine d'ascenseur.
• Pour piloter un moteur électrique, un variateur de vitesse comporte habituellement un système de contrôle possédant une boucle de régulation de la vitesse du moteur et une boucle de régulation du courant envoyé sur les différentes phases du moteur. Dans une application de levage, en particulier dans un ascenseur, il est particulièrement important de bien régler les paramètres des boucles de régulation courant et de régulation vitesse du variateur de vitesse pilotant le moteur de levage de la cabine. En effet, le bon réglage de ces boucles de régulation influe directement d'une part sur les performances globales de l'ascenseur et d'autre part sur les sensations de confort et de sécurité qui sont perçues par les usagers de l'ascenseur. Cependant, ce réglage s'avère parfois long et/ou compliqué à mettre en oeuvre au moment de la mise en service du variateur de vitesse.
• Le document US5929400 décrit déjà un procédé permettant une mise en service automatique d'un variateur de vitesse dans une application de levage. Cependant, cette méthode comporte une phase de pré-calibrage avant démarrage durant laquelle il est notamment nécessaire d'injecter du courant dans le moteur en maintenant le rotor bloqué.
• Le document JP 08 012206 montre un dispositif permettant d'ajuster la boucle de régulation de vitesse d'un ascenseur. Ce dispositif nécessite néanmoins l'utilisation d'un capteur de charge permettant de déterminer la masse réelle de la cabine de l'ascenseur, de façon à ajuster automatiquement le gain proportionnel de la boucle de régulation de vitesse.
• L'invention a donc pour but de faciliter et de simplifier la mise en service d'un variateur de vitesse pilotant un moteur de levage, en proposant une estimation du gain proportionnel et du gain intégral de la boucle de régulation de vitesse. Ces gains sont calculés en se basant uniquement sur un faible nombre de paramètres utilisateur à renseigner, sans nécessiter des étapes d'injection de courant, ce qui permet d'avoir simplement un préréglage de la boucle de régulation de vitesse. Avantageusement, ce réglage est fait off-line, c'est-à-dire que les gains sont calculés une seule fois à partir des paramètres renseignés, et ne nécessite plus d'ajustement des gains en fonction de la masse réelle de la charge durant l'exploitation de l'ascenseur. Le procédé est donc simple et économique, car il ne nécessite pas de capteur de charge.
• De plus, lesdits paramètres à renseigner correspondent avantageusement à des grandeurs physiques connues de l'application. Comme elles sont facilement identifiables, ces grandeurs physiques peuvent ainsi être très simplement introduites par un utilisateur. L'invention permet donc de réduire le temps et le coût de la mise en oeuvre d'un variateur de vitesse dans une application de levage, par exemple de type ascenseur.
• Pour cela l'invention décrit un procédé de réglage d'une boucle de régulation de vitesse d'un variateur de vitesse qui est destiné à piloter un moteur relié à une charge de levage comportant une cabine d'ascenseur. Le procédé comporte une étape de calcul d'un gain proportionnel et d'un gain intégral de la boucle de régulation de vitesse, en fonction de la vitesse nominale linéaire de la cabine, de la fréquence nominale de rotation du moteur, du nombre de paires de pôles du moteur et de la masse totale de la charge. La masse totale est un paramètre prédéterminé non mesuré par un capteur.
• Selon une caractéristique, la charge comporte une cabine d'ascenseur et la masse totale de la charge est proportionnelle à la capacité nominale de la cabine d'ascenseur, à la masse de la cabine d'ascenseur ou à la masse d'un contrepoids de la cabine d'ascenseur. Avantageusement, le procédé prend donc en compte non pas uniquement la masse de la cabine d'ascenseur mais la masse totale de l'ensemble du système.
• Selon une autre caractéristique, le procédé comporte également une étape de calcul d'une inertie du moteur en fonction du couple nominal du moteur et du nombre de paires de pôles du moteur, pour affiner le calcul du gain proportionnel et du gain intégral de la boucle de régulation de vitesse.
• Selon une autre caractéristique, le procédé comporte également une étape de calcul d'une constante de temps de filtrage de la mesure de vitesse en fonction du couple nominal du moteur et d'une information représentative de la résolution d'un codeur de mesure de vitesse du moteur, pour affiner le calcul du gain proportionnel et du gain intégral de la boucle de régulation de vitesse.
• L'invention concerne également un variateur de vitesse comportant un système de contrôle effectuant une boucle de régulation de vitesse et destiné à piloter un moteur relié à une charge de levage, le système de contrôle du variateur de vitesse comportant des blocs de calcul qui mettent en oeuvre un tel procédé de réglage.
• D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels :
• la figure 1 représente une vue partielle d'un système de contrôle d'un variateur de vitesse pilotant un moteur,
• la figure 2 montre un synoptique simplifié conforme à l'invention du calcul du gain proportionnel K_P et du gain intégral K_I de la boucle de régulation de vitesse.
• En référence à la figure 1, un variateur de vitesse comporte un système de contrôle dans le but de piloter un moteur électrique M. Le moteur M est un moteur synchrone ou asynchrone qui est destiné à entraîner une charge de type levage, par exemple une application de type ascenseur. Dans ce type d'application, la charge (non représentée sur les figures) comporte alors principalement une cabine d'ascenseur, son contrepoids ainsi que des câbles associés.
• Le système de contrôle du variateur comporte un régulateur de vitesse 5 qui effectue une boucle de régulation de vitesse. De façon connue, le régulateur de vitesse 5 reçoit en entrée une consigne provenant d'un écart entre une référence de vitesse V_ref de rotation du moteur M et une mesure de vitesse V_mes de rotation du moteur M. Le régulateur de vitesse 5 utilise un gain proportionnel K_P et un gain intégral K_I pour effectuer la boucle de régulation de vitesse. La sortie du régulateur de vitesse 5 fournit une référence du courant de couple moteur Iq_ref. La mesure de vitesse V_mes est fournie par exemple par un module de mesure 9.
• Le système de contrôle du variateur effectue également une boucle de régulation courant. Pour cela, il comporte un régulateur de courant 6 de couple Iq et un régulateur de courant 7 de flux Id. Le régulateur de courant de couple 6 reçoit en entrée une consigne provenant d'un écart entre la référence du courant de couple Iq_ref et une mesure du courant de couple Iq_mes. Les sorties des régulateurs de courant 6 et 7 sont ensuite transformées en courants variables envoyés sur chaque phase du moteur M par un module de transformation 8.
• La figure 2 présente un synoptique montrant différents blocs de calcul du système de contrôle du variateur de vitesse, permettant de faire une estimation d'un gain proportionnel K_P et d'un gain intégral K_I de la boucle de régulation de vitesse, conformément à l'invention. Ces gains K_P et K_I sont utilisés par le régulateur de vitesse 5 pour effectuer la boucle de régulation de vitesse.
• Un premier bloc de calcul 10 a pour fonction de déterminer la masse totale M_tot de la charge déplacée. Un deuxième bloc de calcul 20 a pour fonction de déterminer l'inertie de la charge J_load en utilisant la masse totale M_tot calculée dans le premier bloc 10. Un troisième bloc de calcul 30 a pour fonction de déterminer K_P et K_I en utilisant l'inertie de la charge J_load calculée dans le deuxième bloc 20.
• Optionnellement, le troisième bloc de calcul 30 peut utiliser une valeur de l'inertie moteur J_mot calculée dans un quatrième bloc de calcul 40. De même, le troisième bloc de calcul 30 peut utiliser une valeur de coefficient de bande passante calculée dans un cinquième bloc de calcul 50 (voir détails plus loin).
• Dans le cas d'un ascenseur, l'inertie de la charge J_load prend en compte l'inertie de la cabine d'ascenseur lorsqu'elle est chargée avec une capacité nominale de l'ascenseur ainsi que l'inertie du contrepoids de la cabine, en dehors de l'inertie du moteur. L'inertie des câbles de l'ascenseur est considérée comme négligeable. L'inertie de la charge J_load est calculée à partir des paramètres suivants : M_tot = masse totale de la charge déplacée, F_nom = fréquence nominale de rotation du moteur, P_N = nombre de paires de pôles du moteur, V_nom = vitesse linéaire nominale de la cabine, grâce à la formule suivante : $${\mathrm{J}}_{\mathrm{load}}={\mathrm{M}}_{\mathrm{tot}}*{\left({\mathrm{V}}_{\mathrm{nom}}*{\mathrm{P}}_{\mathrm{N}}/\left(\mathrm{2}\mathrm{\pi }*{\mathrm{F}}_{\mathrm{nom}}\right)\right)}^{\mathrm{2}}$$

  
• La fréquence nominale de rotation du moteur F_nom représente la fréquence nominale de rotation du rotor du moteur. Dans le cas d'un moteur synchrone, la fréquence nominale de rotation du moteur F_nom correspond à la fréquence d'alimentation électrique du stator. Dans le cas d'un moteur asynchrone, la fréquence nominale de rotation du moteur F_nom correspond à la fréquence d'alimentation électrique du stator multipliée par un coefficient de glissement qui est inférieur à 1. Ce coefficient de glissement peut être considéré comme fixe pour le point nominal de fonctionnement.
• Selon un premier mode de réalisation simple, l'inertie du moteur de levage J_mot est choisie comme étant une valeur fixe qui est prédéterminée dans le variateur de vitesse sans intervention d'un utilisateur. L'inertie totale de l'application J_tot est alors déterminée de la façon suivante : $${\mathrm{J}}_{\mathrm{tot}}={\mathrm{J}}_{\mathrm{mot}}+{\mathrm{J}}_{\mathrm{load}}={\mathrm{J}}_{\mathrm{mot}}+{\mathrm{M}}_{\mathrm{tot}}*{\left({\mathrm{V}}_{\mathrm{nom}}*{\mathrm{P}}_{\mathrm{N}}/\left(\mathrm{2}\mathrm{\pi }*{\mathrm{F}}_{\mathrm{nom}}\right)\right)}^{\mathrm{2}}$$

  
• Le troisième bloc 30 calcule ensuite le gain proportionnel K_P et le gain intégral K_I de la boucle de régulation de vitesse. Pour cela, le troisième bloc 30 utilise les formules suivantes : $${\mathrm{K}}_{\mathrm{P}}=\mathrm{\alpha }*\mathrm{\xi }*{\mathrm{J}}_{\mathrm{tot}}/{\mathrm{P}}_{\mathrm{N}}$$

  

  $${\mathrm{K}}_{\mathrm{l}}={\mathrm{\alpha }}^{\mathrm{2}}*{\mathrm{J}}_{\mathrm{tot}}*{\mathrm{P}}_{\mathrm{N}}$$

  

  
  dans lesquels α correspond à un coefficient de bande passante de la boucle de régulation de vitesse (parfois désigné par ω_BP) et ξ correspond à un coefficient d'atténuation (appelé aussi coefficient de stabilité) de la boucle de régulation de vitesse. Dans le premier mode de réalisation, les valeurs de ces coefficients α et ξ sont fixes et prédéterminées dans le variateur de vitesse, à des valeurs respectivement de α₀ et ξ₀.
• Le procédé de réglage de la boucle de régulation de vitesse comporte donc une étape de calcul des gains K_P et K_I. Avantageusement, les K_P et K_I sont uniquement calculés en fonction des paramètres utilisateurs suivants : vitesse nominale linéaire V_nom de la charge, fréquence nominale de rotation F_nom du moteur, nombre de paires de pôles P_N du moteur et masse totale M_tot de la charge déplacée. Les paramètres F_nom, P_N, et V_nom correspondent à des grandeurs physiques qui sont aisément connues par un utilisateur pour une application donnée, alors que la masse totale M_tot peut être plus difficile à connaître pour un utilisateur. L'invention propose donc aussi une estimation simple de la masse totale M_tot.
• La masse totale M_tot de la charge déplacée est égale à la somme de la masse de la cabine vide M_cab, de la masse du contrepoids M_ctp de la cabine et de la masse M_load correspondant à la capacité nominale embarquée dans la cabine de l'ascenseur, en négligeant la masse des câbles. $${\mathrm{M}}_{\mathrm{tot}}={\mathrm{M}}_{\mathrm{cab}}+{\mathrm{M}}_{\mathrm{ctp}}+{\mathrm{M}}_{\mathrm{load}}$$

  
• Préférentiellement, la masse totale M_tot est proportionnelle à la capacité nominale M_load de la cabine d'ascenseur qui correspond à une grandeur physique qui est aisément connue par un utilisateur pour un ascenseur donné. Ainsi, en renseignant uniquement cette capacité nominale de la cabine, le premier bloc 10 est capable de faire une estimation de masse totale de la charge M_tot. Indifféremment, cette capacité nominale M_load de la cabine peut être renseignée par l'utilisateur à partir d'un nombre maximal de personnes (par exemple 8 personnes) ou directement à partir du poids équivalent (par exemple 600 Kg, en prenant un moyen de 75 Kg par personne).
• De même, la masse totale M_tot est proportionnelle à la masse de la cabine M_cab d'ascenseur vide ou à la masse du contrepoids M_ctp de la cabine d'ascenseur. Ces deux paramètres correspondent aussi à des grandeurs physiques facilement connues par un utilisateur pour une application donnée. Les règles de calcul utilisées sont en effet les suivantes :
• on considère que l'ascenseur est équilibré, donc la masse du contrepoids M_ctp est approximativement égale à la masse de la cabine vide M_cab augmentée de la moitié de la capacité nominale M_load de la cabine,
• la masse de la cabine vide M_cab est approximativement égale à la capacité nominale M_load de la cabine,
• la masse des câbles de l'ascenseur est négligeable.
• On obtient alors :
• M_tot ≅ 3,5 * M_load ou M_tot ≅ 3,5 * M_cab ou M_tot ≅ 2.33 * M_ctp
• La masse totale M_tot est donc proportionnelle à chacune des trois grandeurs physiques, ce qui permet d'en faire rapidement une estimation. L'utilisateur a le choix de ne renseigner qu'une seule de ces grandeurs physiques, pour que le premier bloc 10 de calcul calcule une estimation de la masse totale M_tot de la charge déplacée.
• D'autres règles similaires pourraient évidemment être utilisées pour faire l'estimation de la masse totale M_tot. Par ailleurs, si l'utilisateur est capable de connaître chacun des trois grandeurs physiques : masse de la cabine vide M_cab, masse du contrepoids M_ctp et capacité nominale M_load de la cabine, alors ces trois grandeurs peuvent évidemment être renseignées individuellement pour calculer plus précisément la masse totale M_tot dans le premier bloc 10. Dans tous les cas, on constate que la masse totale M_tot est un paramètre fixe et prédéterminé, qui n'a pas besoin d'être mesuré en temps réel par un capteur donnant la masse réelle de la cabine durant l'exploitation de l'ascenseur, pour tenir compte par exemple du nombre de personnes dans la cabine.
• Selon un deuxième mode de réalisation, l'inertie du moteur de levage J_mot n'est pas fixe et prédéterminée, mais peut être calculée dans le quatrième bloc 40 de calcul, comme étant une fonction du nombre de paires de pôles du moteur P_N et du couple nominal du moteur T_N. Pour calculer une inertie du moteur de levage J_mot, l'utilisateur doit donc renseigner un paramètre supplémentaire, à savoir le couple nominal du moteur T_N qui est un paramètre facile à renseigner car il correspond également à une grandeur physique connue du moteur. Ce second mode de réalisation permet d'améliorer la valeur de l'inertie totale de l'application J_tot et donc d'affiner le calcul des gains K_P et K_I. Dans le quatrième bloc 40, l'inertie du moteur J_mot est calculée comme étant égale à : $${\mathrm{J}}_{\mathrm{mot}}={\mathrm{J}}_{\mathrm{0}}*{\left({\mathrm{T}}_{\mathrm{N}}/{\mathrm{T}}_{\mathrm{0}}\right)}^{\mathrm{1},\mathrm{5}}*{\mathrm{P}}_{\mathrm{N}}/\mathrm{2}$$

  
• dans lequel T₀ représente un couple de base constant égal à 1 N.m et dans lequel J₀ représente un coefficient d'inertie fixe qui est choisi comme étant sensiblement égal à 10^-5 kg.m².
• Un troisième mode de réalisation permet d'affiner encore le calcul des gains K_P et K_I. Pour cela, le procédé de réglage calcule une valeur α_cal du coefficient de bande passante α, au lieu de prendre la valeur fixe prédéterminée α₀. Pour cela, le cinquième bloc de calcul 50 calcule une constante de temps T_filt pour le filtrage de la mesure de vitesse faite par le module de mesure 9. Cette constante de temps T_filt est comprise entre une valeur minimale T_filtmin et une valeur maximale T_filtmax.
• La valeur minimale T_filtmin est déterminée à partir du couple nominal du moteur T_N et de la résolution N_S d'un codeur servant à mesurer la vitesse de rotation V_mes du moteur, dans le cas où cette vitesse de rotation est mesurée. Cette valeur T_filtmin est par exemple choisie pour avoir un bruit maximal de 2% rapporté au couple nominal T_N. Par ailleurs, la valeur maximale T_filtmax est imposée par les limites de stabilité du système de commande du variateur.
• Pour avoir un réglage optimal, on doit s'assurer que T_filt est égal à T_filtmin et que T_filtmax reste supérieur ou égal à T_filtmin. Ces conditions entraînent une valeur calculée α_cal du coefficient de bande passante α qui est égale à : $${\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{cal}}={\left(\left({\mathrm{N}}_{\mathrm{S}}*{\mathrm{T}}_{\mathrm{N}}\right)/\left(\mathrm{1000}*\mathrm{\pi }*{\mathrm{J}}_{\mathrm{tot}}\right)\right)}^{\mathrm{½}}$$

  
• De plus, il est possible d'encadrer la valeur α_cal entre deux valeurs extrêmes minimales et maximales prédéterminées.
• Ainsi, pour calculer une valeur α_cal du coefficient de bande passante α, l'utilisateur doit donc renseigner un paramètre supplémentaire, à savoir la résolution codeur N_S qui est un paramètre facile à renseigner car il correspond également à une grandeur physique connue de l'application.
• L'invention détermine ainsi le gain proportionnel K_P et le gain intégral K_I de la boucle de régulation de vitesse en utilisant des paramètres fonctionnels prédéterminés et connus, sans nécessiter de capteur de mesure. Le procédé est donc très simple car le calcul des gains K_P et K_I peut être effectué une seule fois de façon "off-line", c'est-à-dire avant l'exploitation réelle de l'ascenseur, étant donné que les gains n'ont pas besoin d'être recalculés ou réajustés en temps réel.

Claims (7)

1. Procédé de réglage d'une boucle de régulation de vitesse d'un variateur de vitesse qui est destiné à piloter un moteur (M) relié à une charge de levage comportant une cabine d'ascenseur, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape de calcul d'un gain proportionnel (K_P) et d'un gain intégral (K_I) de la boucle de régulation de vitesse, en fonction de la vitesse nominale linéaire (V_nom) de la charge, de la fréquence nominale de rotation (F_nom) du moteur, du nombre de paires de pôles (P_N) du moteur et de la masse totale (M_tot) de la charge, la masse totale (M_tot) étant un paramètre prédéterminé non mesuré par un capteur.
2. Procédé de réglage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse totale (M_tot) de la charge est proportionnelle à la capacité nominale de la cabine d'ascenseur.
3. Procédé de réglage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse totale (M_tot) de la charge est proportionnelle à la masse de la cabine d'ascenseur.
4. Procédé de réglage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse totale (M_tot) de la charge est proportionnelle à la masse d'un contrepoids de la cabine d'ascenseur.
5. Procédé de réglage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé comporte également une étape de calcul d'une inertie du moteur (J_mot) en fonction du couple nominal (T_N) du moteur et du nombre de paires de pôles (P_N) du moteur, pour affiner le calcul du gain proportionnel (K_P) et du gain intégral (K_I) de la boucle de régulation de vitesse.
6. Procédé de réglage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé comporte également une étape de calcul d'un coefficient de bande passante de la boucle de régulation de vitesse en fonction du couple nominal (T_N) du moteur et de la résolution (N_S) d'un codeur de mesure de vitesse du moteur, pour affiner le calcul du gain proportionnel (K_P) et du gain intégral (K_I) de la boucle de régulation de vitesse.
7. Variateur de vitesse comportant un système de contrôle effectuant une boucle de régulation de vitesse et destiné à piloter un moteur relié à une charge de levage comportant une cabine d'ascenseur, caractérisé en ce que le système de contrôle du variateur de vitesse comporte des blocs de calcul (10, 20, 30, 40, 50) qui mettent en oeuvre un procédé de réglage de la boucle de régulation de vitesse du variateur de vitesse, le procédé comportant une étape de calcul d'un gain proportionnel (K_P) et d'un gain intégral (K_I) de la boucle de régulation de vitesse, en fonction de la vitesse nominale linéaire (V_nom) de la charge, de la fréquence nominale de rotation (F_nom) du moteur, du nombre de paires de pôles (P_N) du moteur et de la masse totale (M_tot) de la charge, la masse totale (M_tot) étant un paramètre prédéterminé non mesuré par un capteur.

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