EP3381121A1 - Procédé de commande d'une machine synchrone à aimants permanents, et dispositif correspondant - Google Patents

Procédé de commande d'une machine synchrone à aimants permanents, et dispositif correspondant

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Publication number
EP3381121A1
EP3381121A1 EP16815588.5A EP16815588A EP3381121A1 EP 3381121 A1 EP3381121 A1 EP 3381121A1 EP 16815588 A EP16815588 A EP 16815588A EP 3381121 A1 EP3381121 A1 EP 3381121A1
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EP
European Patent Office
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synchronous machine
inverter
control
rotor
sensors
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16815588.5A
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German (de)
English (en)
Inventor
Wenceslas Bourse
Guillaume Boulet
Pascal Rollin
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Safran Electrical and Power SAS
Original Assignee
Safran Electrical and Power SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Safran Electrical and Power SAS filed Critical Safran Electrical and Power SAS
Publication of EP3381121A1 publication Critical patent/EP3381121A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/08—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/10—Arrangements for controlling torque ripple, e.g. providing reduced torque ripple
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/004—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids by varying driving speed
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/06—Rotor flux based control involving the use of rotor position or rotor speed sensors
    • H02P21/08—Indirect field-oriented control; Rotor flux feed-forward control
    • H02P21/09—Field phase angle calculation based on rotor voltage equation by adding slip frequency and speed proportional frequency
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    • H02P6/28—Arrangements for controlling current

Definitions

  • a method of controlling a synchronous machine with permanent magnets, and corresponding device is a method of controlling a synchronous machine with permanent magnets, and corresponding device.
  • the invention relates to the general field of synchronous machines with permanent magnets, and more particularly to the control of synchronous machines with permanent magnets of variable speed fans.
  • Variable speed fans generally include an inverter and a motor which is a synchronous permanent magnet machine.
  • Permanent magnet synchronous machines are generally powered by a DC power source via the inverter disposed between the DC power source and the permanent magnet synchronous machine.
  • a trapezoidal or so-called "120 °" control uses three Hall effect sensors to detect the angular position of the rotor in six positions.
  • the three sensors make it possible to discretize an electrical period of the rotor, with a duration of 360 ° electrical, in six electrical sectors of 60 ° electric each.
  • the trapezoidal control has six operating points each corresponding to an angular sector of the rotor. By knowing the electrical sector in which the permanent magnet (s) of the rotor is located, the inverter feeds the two appropriate phases of the stator of the synchronous machine to obtain a motor torque.
  • the three Hall effect sensors are positioned at the stator of the motor so as to be separated from electrical 120 °, that is to say 60 ° mechanical for a motor having two pairs of electric poles, as illustrated on FIG. 1 shows an example of arrangement of Hall effect sensors C1, C2, C3 for a motor with four electric poles A1 to A4, A1 and A3 being magnetic north poles and A2 and A4 of the south magnetic poles.
  • Hall effect sensors are sensitive to the polarity of the rotor magnets.
  • Each of the sensors provides a logic signal, which may have a first value, said high, if the North magnet is vis-à-vis the sensor, or a second value, called low, if the South magnet of opposite polarity to the North magnet is vis-à-vis the sensor.
  • Figure 2 presents a graph of signals of the three Hall effect sensors C1 to C3 for the four-pole electric motor of Figure 1, that is to say two pairs of electric poles, on which each vertical line in broken lines separates two electric electrical 60 ° sectors.
  • two switches of the inverter are controlled in order to circulate a current that will ensure a motor torque.
  • This piloting is called "120 °" piloting.
  • the calibration angle ⁇ is controllable because the phase of the electromotive force E is deduced from the information provided by the Hall effect sensors, and the phase of the voltage l is derived from the control of the inverter.
  • This wedge angle ⁇ can be chosen to maximize the torque.
  • the electromotive force E and the current in a phase of the motor / are in phase, as illustrated in the Fresnel diagram shown in FIG. 4.
  • the wedge angle ⁇ being made mechanically, the different mechanical tolerances will generate an inaccuracy on this angle all the more important that the diameter of the engine is small.
  • the value of the wedging angle ⁇ has multiple consequences on the performance of the inverter / motor assembly.
  • the harmonic spectrum of the currents in the phases is more or less rich resulting in more or less motor torque ripple.
  • the calibration angle ⁇ also affects the efficiency of the power conversion (active and reactive power) as well as the harmonic spectra rejected on the network.
  • the first problem comes from the fact that the different tolerances on the positioning of the mechanical parts relative to each other result in a tolerance on the wedge angle ⁇ very important, especially as the engine diameter is small.
  • the modulus of the electromotive force E varies linearly as a function of the speed whereas for a synchronous motor of a fan for example, the modulus of the motor current varies squared of the speed.
  • This second problem related to the optimization of the offset angle for a single operating point of the synchronous motor can cause over-consumption of the motor at the other operating points. This phenomenon is amplified especially as the engine power increases.
  • the invention aims to provide a method of controlling a permanent magnet synchronous machine to obtain the best performance of the inverter / machine assembly for all the operating points of the synchronous machine.
  • a method of controlling a permanent magnet synchronous machine comprising a permanent magnet rotor and a three-phase stator, the machine being associated with a control inverter of the stator of the synchronous machine, and the method comprising: three simultaneous measurements each made by a Hall effect sensor, the three sensors being arranged so as to have a central sensor and two lateral sensors, the two lateral sensors being placed at 120 ° / p mechanical of the central sensor relative to the axis of rotation of the motor, p being the number of pairs of poles of the synchronous machine,
  • the method prior to the control of the inverter, the method comprises an application of a time delay on the three measured signals so that the control inverter control takes into account an angle of desired setting variable.
  • the generation and application of an adjustable delay on the information processing of the Hall effect sensors makes it possible to vary the angle of adjustment according to the operating point of the motor, that is to say to realize dynamic synchronization of the synchronous machine, and thus always have an optimized angle of calibration.
  • the proposed solution thus makes it possible to control the stall angle, either mechanically or analogically or numerically from the measurement signals and processing means such as software means, in order to improve the reproducibility of the performances.
  • the value of the applied delay depends on the rotational speed of the rotor of the synchronous machine.
  • the electromagnetic force developed by the synchronous machine varies linearly with the rotational speed of the rotor, while the modulus of the current supplying the stator coils varies according to the square of the rotational speed of the rotor. Adjusting the value of the delay for each speed value thus makes it possible to maintain an optimal angle of calibration to obtain the best performance of the assembly formed by the control inverter and the synchronous machine irrespective of the rotor speed regime of the synchronous machine.
  • the three measurements made by the Hall effect sensors are preferably made in advance with respect to the axis of the coils of the stator phases of the synchronous machine.
  • a fourth aspect of the control method and as a variant of the third aspect of the method, it is possible to determine empirically beforehand the values of the delay to be applied for each speed of rotation of the synchronous machine from measurements made on a current test bench. input of the inverter, the input voltage of the inverter and the speed of the synchronous machine.
  • the delay is thus determined automatically and optimized based on power measurements and / or harmonics of the current consumed at the input of the control inverter or the synchronous machine.
  • the power and / or harmonic measurements can be performed either by measuring instruments or by measuring means available on the control inverter. Thus, during product acceptance tests, several calibration angles are tested in order to find the angle that makes it possible to meet the criteria set for the power and / or the harmonics at the input of the control inverter or of the machine. synchronous.
  • the wedging angle can be modified to meet the acceptance criteria
  • the acceptance criteria may be:
  • the method may comprise a selection of the value of the delay as a function of the speed of rotation of the synchronous machine, the selection being made from a table of values of delay as a function of the speed of rotation of the synchronous machine stored in a memory.
  • the invention also relates to a control system of a permanent magnet synchronous machine comprising a permanent magnet rotor and a three-phase stator, the machine being associated with a stator control inverter of the synchronous machine, and the system comprising three Hall effect sensors of the control means coupled at the output of said sensors and configured to receive the three measurement signals made simultaneously by the sensors, the three Hall effect sensors being mounted on the synchronous motor with permanent magnets so as to have a central sensor and two lateral sensors, the two lateral sensors being placed at 120 ° / p mechanical central sensor relative to the axis of rotation of the motor, p being the number of pole pairs of the synchronous machine, and the control means being configured to determine the position of the rotor from said three measurements and to control the control inverter according to the position of the rotor determined.
  • control means comprise a signal processing module able to apply a time delay, that is to say a phase shift, on the three measured signals so that the control of the inverter control takes into account a variable desired pitch angle.
  • the three Hall effect sensors are each positioned in advance with respect to the axis of one of the coils of the stator phases of the synchronous machine.
  • the system further comprises a memory capable of storing a table of delay values as a function of the speed of rotation of the synchronous machine, the control means comprising a selection module capable of selecting the value of the delay to apply depending on the rotational speed of the motor.
  • Another object of the invention is a variable speed fan comprising a synchronous machine with permanent magnets and a control inverter associated with the synchronous machine comprising a control system as defined above.
  • FIG. 1 already described, presents an example of arrangement of the Hall effect sensors for a motor with four electric poles
  • FIG. 2 already described, presents a signal graph of the Hall effect sensors for the four-pole motor of FIG. 1;
  • FIG. 3 already described, represents a Fresnel diagram for a synchronous motor with permanent magnets
  • FIG. 4 already described, shows a Fresnel diagram for a permanent magnet synchronous motor on which the stall angle is optimized to cancel the phase shift between the supply current of the synchronous machine delivered by the inverter and the force electromotive provided by the synchronous machine;
  • FIG. 5 already described, presents an assembly diagram of the state of the art of a synchronous machine equipped with Hall effect sensors mounted so as to mechanically perform the wedging angle;
  • FIG. 6 schematically shows a permanent magnet synchronous machine with a control system of the machine according to one embodiment of the invention. Detailed description of embodiments
  • FIG. 6 schematically illustrates a permanent magnet synchronous machine equipped with a control system of the machine according to one embodiment of the invention.
  • the synchronous machine with permanent magnets 1 is controlled by an inverter 2 input coupled to a power source 3.
  • the inverter 2 is here a three-phase inverter having three upper arms and three lower arms.
  • Each arm of the inverter comprises at least one switch, for example an insulated gate bipolar transistor.
  • the synchronous machine 1 comprises a rotor 4 with permanent magnets with four poles, two north poles N and two south poles S, and a stator 5 provided with three phases each associated with an arm of the inverter 2, each phase comprising two windings 5a. , 5b or 5c diametrically opposed.
  • the angular sectors of the rotor 4 are defined by the six windings 5a, 5b, 5c of the stator. At each of the arms of the inverter 2, an angular sector of the rotor 4 is associated, and the rotor 4 thus traverses six sectors.
  • Hall effect sensors 6a, 6b and 6c are used, each disposed at 120 ° electrical from each other, that is to say at 60 ° mechanical . These sensors 6a to 6c can determine the input of the rotor 4 in a sector.
  • a control system is provided with the Hall effect sensors 6a, 6b and 6c and a control device 7 connected to the inverter 2.
  • the control device 7 can be implemented at the same time. embedded computer, for example within a programmable chip of the FPGA type.
  • the device 7 is connected to the Hall effect sensors 6a, 6b, 6c mounted on the synchronous machine 1 and is configured to recover the measurement signals delivered by the Hall effect sensors 6a to 6c relative to the position of the rotor 4.
  • the control device 7 comprises a signal processing module 8 able to apply a time delay, that is to say a temporal phase shift, on the three measured signals for the control of the control inverter to take account of the a desired angle of adjustment variable, in particular depending on the speed of operation of the synchronous machine 1, that is to say according to the speed of rotation of the rotor 4.
  • each of the three Hall effect sensors 6a to 6c is positioned in advance with respect to the direction of rotation of the rotor 4 and with respect to the axis of rotation.
  • the radius formed by the axis of rotation of the rotor 4 with an effect sensor Hall, 6a for example is offset with respect to the axis formed by the axis of rotation of the rotor 4 with the coil 5a to which the sensor is associated at a certain angle in the trigonometrical direction.
  • the signal processing module 8 Before determining the position of the rotor 4, the signal processing module 8 applies to each of the received signals an angular phase shift corresponding to a time delay whose value depends on the value of the speed of rotation of the rotor 4.
  • the temporal phase shift applied makes it possible to modify the control of the control inverter 2 as a function of a desired angle of adjustment. Since the setting angle can be modified as a function of the rotational speed of the rotor 4, it is possible to have the control inverter 2 of the synchronous machine always commanded under optimal conditions.
  • the values of the delay to be applied as a function of the speed are determined during a pre-adjustment phase of the synchronous machine, either on a test bench based on measurements of the input current of the inverter, the input voltage of the inverter, the inverter and the speed of the synchronous motor, either from preliminary calculations made from the following equation giving, in seconds, the values of the delay to be applied for each value of the speed of rotation of the synchronous machine:
  • the control device 7 further comprises a memory 9 configured to store a table of the delay values thus determined as a function of the speed of rotation of the synchronous machine 1.
  • the memory 9 could be external to the control device 7.
  • the control device 7 furthermore comprises a selection module 10 making it possible, during the operation of the synchronous machine 1, to select the value of the delay to be applied to the measurement signals received as a function of the speed of rotation of the rotor 4 to control the control inverter 2 so as to obtain optimum performance.

Landscapes

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Abstract

Un procédé de commande d'une machine synchrone (1) à aimants permanents comportant un rotor (4) à aimants permanents et un stator (5) triphasé, la machine (1) étant associée à un onduleur de commande (2) du stator (5) de la machine synchrone (1), et le procédé comprenant : - trois mesures simultanées réalisées par trois capteurs à effet Hall (6a, 6b, 6c) disposés de manière à avoir un capteur central (6a) et deux capteurs latéraux (6b, 6c), les deux capteurs latéraux (6b, 6c) étant placés par rapport à l'axe de rotation du rotor (4) de la machine synchrone (1) à 120°/p mécaniques du capteur central (6a), p étant le nombre de paires de pôles de la machine synchrone, - une détermination de la position du rotor (4) à partir desdites trois mesures, - une commande de l'onduleur de commande (2) en fonction de la position du rotor (4) déterminée, - et, préalablement à la commande de l'onduleur (2), une application d'un retard temporel sur les trois signaux mesurés pour que la commande de l'onduleur de commande (2) tienne compte d'un angle de calage souhaité variable.

Description

Procédé de commande d'une machine synchrone à aimants permanents, et dispositif correspondant.
Arrière-plan de l'invention
L'invention se rapporte au domaine général des machines synchrones à aimants permanents, et plus particulièrement à la commande des machines synchrones à aimants permanents de ventilateurs à vitesse variable.
Les ventilateurs à vitesse variable comprennent généralement un onduleur et un moteur qui est une machine synchrone à aimants permanents. Les machines synchrones à aimants permanents sont généralement alimentées au moyen d'une source d'alimentation en courant continu via l'onduleur disposé entre la source d'alimentation en courant continu et la machine synchrone à aimants permanents.
Pour commander un moteur synchrone à aimants permanents, c'est-à-dire réaliser un autopilotage du moteur, il est nécessaire de disposer d'une information relative à la position de son rotor.
Diverses méthodes de pilotage de l'onduleur du moteur existent, les plus répandues étant :
- la commande de l'onduleur du moteur de type sinus qui nécessite une information continue et de forte résolution de la position rotorique, et
- la commande de l'onduleur du moteur de type « square wave » ou « 120° », ou dite encore trapézoïdale, qui nécessite uniquement une information discrète et de faible résolution de la position rotorique.
Une commande trapézoïdale, ou dite à « 120° », utilise trois capteurs à effet Hall pour détecter la position angulaire du rotor selon six positions. Les trois capteurs permettent de discrétiser une période électrique du rotor, d'une durée de 360° électrique, en six secteurs électriques de 60° électrique chacun. Et la commande trapézoïdale présente six points de fonctionnement correspondant chacun à un secteur angulaire du rotor. En connaissant le secteur électrique dans lequel le ou les aimant(s) permanent(s) du rotor se situe(nt), l'onduleur alimente les deux phases appropriées du stator de la machine synchrone pour obtenir un couple moteur.
Plus précisément, les trois capteurs à effet Hall sont positionnés au stator du moteur de manière à être écartés de 120° électriques, c'est- à-dire 60° mécaniques pour un moteur comportant deux paires de pôles électriques, comme cela est illustré sur la figure 1 qui présente un exemple de disposition de capteurs à effet Hall Cl, C2, C3 pour un moteur à quatre pôles électriques Al à A4, Al et A3 étant des pôles magnétiques Nord et A2 et A4 des pôles magnétiques Sud.
Les capteurs à effet Hall sont sensibles à la polarité des aimants du rotor. Chacun des capteurs fournit un signal logique, qui peut avoir une première valeur, dite haute, si l'aimant Nord est en vis-à-vis du capteur, ou une seconde valeur, dite basse, si l'aimant Sud de polarité opposée à l'aimant Nord est en vis-à-vis du capteur.
Avec les informations fournies par ces trois capteurs à effet
Hall, il est possible de reconstituer la position du moteur en créant des secteurs électriques de 60° électrique correspondant à des combinaisons des trois signaux délivrés par les capteurs, comme cela est illustré sur la figure 2. La figure 2 présent un graphique de signaux des trois capteurs à effet Hall Cl à C3 pour le moteur à quatre pôles électriques de la figure 1, c'est-à-dire à deux paires de pôles électriques, sur lequel chaque ligne verticale en tirets sépare deux secteurs électriques de 60° électriques.
Suivant le secteur électrique, deux interrupteurs de l'onduleur sont commandés afin de faire circuler un courant qui permettra d'assurer un couple moteur. Ce pilotage est appelé pilotage « 120° ».
Le fonctionnement d'un moteur électrique, piloté en « 120° » peut être représenté par le diagramme dit de « Fresnel » donné sur la figure 3 sur lequel l/est la tension appliquée par l'onduleur aux bornes du moteur synchrone, E est la force électromotrice du moteur synchrone qui est proportionnelle à la vitesse de rotation, / est le courant dans une phase moteur, R est la résistance de l'enroulement du moteur, L est l'inductance du moteur, ω est la pulsation électrique du moteur, sachant que ω peut s'exprimer en fonction de la fréquence électrique de rotation du moteur suivant l'équation ω = 2nf. On appelle δ l'angle de déphasage, appelé aussi « angle de calage », correspondant à l'angle entre la tension appliquée V par l'onduleur et la force électromotrice E du moteur.
L'angle de calage δ est contrôlable car la phase de la force électromotrice E est déduite de l'information fournie par les capteurs à effet Hall, et la phase de la tension l est issue du pilotage de l'onduleur.
Cet angle de calage δ peut être choisi afin de maximiser le couple. Dans ce cas, la force électromotrice E et le courant dans une phase du moteur / sont en phase, comme cela est illustré sur le diagramme de Fresnel représenté sur la figure 4.
Il est connu sur différents ventilateurs de réaliser mécaniquement, c'est-à-dire d'imposer, l'angle de calage δ d'un moteur synchrone en décalant le positionnement des capteurs à effet Hall par rapport à l'axe des bobines Bl à B3 des phases du moteur comme illustré sur la Figure 5. L'onduleur reçoit donc les informations des capteurs et change sa commande dès qu'un changement de secteur est détecté.
L'angle de calage δ étant réalisé mécaniquement, les différentes tolérances mécaniques vont générer une imprécision sur cet angle d'autant plus importante que le diamètre du moteur est petit. Usuellement, on trouve une dispersion sur l'angle de calage δ comprise entre +/-5° pour un angle de calage de 15° électrique.
Or, il est nécessaire d'avoir une bonne précision sur cet angle de calage afin que les performances de l'ensemble moteur-onduleur notamment d'un point de vue du rendement, des harmoniques et des performances, soient répétitives.
En effet, la valeur de l'angle de calage δ a des conséquences multiples sur les performances de l'ensemble onduleur/moteur. Tout d'abord, sur l'allure des courants dans les phases du moteur, le spectre harmonique des courants dans les phases est plus ou moins riche entraînant plus ou moins d'ondulation de couple du moteur. L'angle de calage δ influe également sur le rendement de la conversion de puissance (puissance active et réactive) ainsi que sur les spectres harmoniques rejetés sur le réseau.
L'imprécision sur l'angle de calage a donc un impact immédiat sur la reproductibilité des performances du ventilateur. Pour obtenir et maintenir la précision souhaitée, on rencontre généralement deux problèmes principaux.
Le premier problème, déjà mentionné ci-dessus, provient du fait que les différentes tolérances sur le positionnement des pièces mécaniques les unes par rapport aux autres se traduisent par une tolérance sur l'angle de calage δ très importante, d'autant plus que le diamètre du moteur est petit.
Le second problème majeur découle du fait que l'angle de calage δ est fixé mécaniquement, ce qui implique qu'il soit optimisé uniquement pour un point de fonctionnement du moteur qui correspond généralement au point de fonctionnement où la consommation du ventilateur est maximale.
Avec un angle de calage δ fixe, il n'est pas possible que les performances de l'ensemble formé par l'onduleur et le moteur soient optimisées sur tous les points de fonctionnement d'un moteur synchrone, notamment celui d'un ventilateur.
En effet, le module de la force électromotrice E varie linéairement en fonction de la vitesse alors que pour un moteur synchrone d'un ventilateur par exemple, le module du courant moteur varie au carré de la vitesse.
Ce second problème lié à l'optimisation de l'angle de décalage pour un unique point de fonctionnement du moteur synchrone peut entraîner une surconsommation du moteur aux autres points de fonctionnement. Ce phénomène est amplifié d'autant plus que la puissance du moteur augmente.
Objet et résumé de l'invention
L'invention vise à fournir un procédé de commande d'une machine synchrone à aimants permanents permettant d'obtenir les meilleures performances de l'ensemble onduleur/machine pour tous les points de fonctionnement de la machine synchrone.
Il est proposé selon un mode de mise en œuvre de l'invention, un procédé de commande d'une machine synchrone à aimants permanents comportant un rotor à aimants permanents et un stator triphasé, la machine étant associée à un onduleur de commande du stator de la machine synchrone, et le procédé comprenant : - trois mesures simultanées réalisées chacune par un capteur à effet Hall, les trois capteurs étant disposés de manière à avoir un capteur central et deux capteurs latéraux, les deux capteurs latéraux étant placés à 120°/p mécaniques du capteur central par rapport à l'axe de rotation du moteur, p étant le nombre de paires de pôles de la machine synchrone,
- une détermination de la position du rotor à partir desdites trois mesures,
- une commande de l'onduleur de commande en fonction de la position du rotor déterminée,
Selon une caractéristique générale de l'invention, préalablement à la commande de l'onduleur, le procédé comprend une application d'un retard temporel sur les trois signaux mesurés pour que la commande de l'onduleur de commande tienne compte d'un angle de calage souhaité variable.
Ainsi, pour une machine synchrone comportant deux paires de pôles électriques, les trois capteurs à effet Hall sont séparés de 60° mécaniques, car 120°/2 = 60°.
La génération et l'application d'un délai ajustable sur le traitement de l'information des capteurs à effet Hall permet de faire varier l'angle de calage en fonction du point de fonctionnement du moteur, c'est- à-dire de réaliser un calage dynamique de la machine synchrone, et ainsi de toujours avoir un angle de calage optimisé. La solution proposée permet ainsi de contrôler l'angle de calage, non plus mécaniquement mais analogiquement ou numériquement à partir des signaux de mesures et de moyens de traitement tels que des moyens logiciels, afin d'améliorer la reproductibilité des performances.
Selon un premier aspect du procédé de commande, la valeur du retard appliquée dépend de la vitesse de rotation du rotor de la machine synchrone.
La force électromagnétique développée par la machine synchrone varie linéairement avec la vitesse de rotation du rotor, alors que le module du courant alimentant les bobines du stator varie en fonction du carré de la vitesse de rotation du rotor. L'ajustement de la valeur du retard pour chaque valeur de vitesse permet ainsi de conserver un angle de calage optimal pour obtenir les meilleures performances de l'ensemble formé par l'onduleur de commande et la machine synchrone quel que soit le régime de vitesse du rotor de la machine synchrone.
Selon un deuxième aspect du procédé de commande, les trois mesures réalisées par les capteurs à effet Hall sont préférentiellement réalisées en avance par rapport à l'axe des bobines des phases du stator de la machine synchrone.
La réalisation de mesure en avance par rapport à l'axe des bobines statoriques permet de s'assurer de pouvoir introduire le délai nécessaire dans la loi de commande de l'onduleur de commande.
Selon un troisième aspect du procédé de commande, on peut calculer au préalable, en secondes, les valeurs du retard à appliquer pour chaque valeur de la vitesse de rotation de la machine synchrone, à partir de l'équation suivante :
P
Retard— (8initial ~ ^souhaité) ~2ftQ
Avec ôinitiai l'angle entre les capteurs à effet Hall et l'axe des bobines du moteur exprimé en degré, ôS0Uhaité l'angle de calage désiré exprimé en degré, et P la période électrique exprimée en seconde.
Selon un quatrième aspect du procédé de commande, et en variante du troisième aspect du procédé, on peut déterminer empiriquement au préalable les valeurs du retard à appliquer pour chaque vitesse de rotation de la machine synchrone à partir de mesures réalisées sur un banc test du courant en entrée de l'onduleur, de la tension en entrée de l'onduleur et de la vitesse de la machine synchrone.
Le délai est ainsi déterminé de manière automatique et optimisé en se basant sur des mesures de puissance et/ou d'harmoniques du courant consommé en entrée de l'onduleur de commande ou de la machine synchrone.
Les mesures de puissance et/ou d'harmoniques peuvent être réalisées soit par des instruments de mesures, soit par des moyens de mesure disponibles sur l'onduleur de commande. Ainsi, lors des tests d'acceptation du produit, plusieurs angles de calage sont testés afin de trouver l'angle qui permet de répondre aux critères fixés sur la puissance et/ou les harmoniques en entrée de l'onduleur de commande ou de la machine synchrone.
Ainsi, pour différentes vitesses de la machine synchrone caractéristiques de sa future application, l'angle de calage peut être modifié jusqu'à répondre aux critères d'acceptation, les critères d'acceptation pouvant être :
- le minimum de la consommation en entrée de l'onduleur (critère sur la puissance électrique), ou
- le minimum de réjection harmonique sur le réseau (critère sur le taux de distorsion harmonique sur le courant du bus DC), ou
- un compromis de ces deux critères.
Selon un cinquième aspect du procédé de commande, le procédé peut comprendre une sélection de la valeur du retard en fonction de la vitesse de rotation de la machine synchrone, la sélection étant réalisée à partir d'une table de valeurs de retard en fonction de la vitesse de rotation de la machine synchrone enregistrées dans une mémoire.
L'invention a également pour objet, un système de commande d'une machine synchrone à aimants permanents comportant un rotor à aimants permanents et un stator triphasé, la machine étant associée à un onduleur de commande du stator de la machine synchrone, et le système comprenant trois capteurs à effet Hall des moyens de commande couplés en sortie desdits capteurs et configurés pour recevoir les trois signaux de mesures réalisées simultanément par les capteurs, les trois capteurs à effet Hall étant montés sur le moteur synchrone à aimants permanents de manière à avoir un capteur central et deux capteurs latéraux, les deux capteurs latéraux étant placés à 120°/p mécaniques du capteur central par rapport à l'axe de rotation du moteur, p étant le nombre de paires pôle de la machine synchrone, et les moyens de commande étant configurés pour déterminer la position du rotor à partir desdites trois mesures et pour commander l'onduleur de commande en fonction de la position du rotor déterminée.
Selon une caractéristique générale de cet objet, les moyens de commande comprennent un module de traitement des signaux aptes à appliquer un retard temporel, c'est-à-dire un déphasage temporel, sur les trois signaux mesurés pour que la commande de l'onduleur de commande tienne compte d'un angle de calage souhaité variable.
Selon un premier aspect du système de commande, les trois capteurs à effet Hall sont positionnés en avance chacun par rapport à l'axe d'une des bobines des phases du stator de la machine synchrone. Selon un deuxième aspect du système de commande, le système comprend en outre une mémoire apte à stocker une table de valeurs de retard en fonction de la vitesse de rotation de la machine synchrone, les moyens de commande comportant un module de sélection apte à sélectionner la valeur du retard à appliquer en fonction de la vitesse de rotation du moteur.
L'invention a encore pour autre objet, un ventilateur à vitesse variable comprenant une machine synchrone à aimants permanents et un onduleur de commande associé à la machine synchrone comprenant un système de commande tel que défini ci-dessus.
Brève description des dessins.
L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence au dessin annexé sur lequel :
- la figure 1, déjà décrite, présente un exemple de disposition des capteurs à effet Hall pour un moteur à quatre pôles électriques ;
- la figure 2, déjà décrite, présente un graphique de signaux des capteurs à effet Hall pour le moteur à quatre pôle de la figure 1 ;
- la figure 3, déjà décrite, représente un diagramme de Fresnel pour moteur synchrone à aimants permanents ;
- la figure 4, déjà décrite, représente un diagramme de Fresnel pour moteur synchrone à aimants permanents sur lequel l'angle de calage est optimisé pour annuler le déphasage entre le courant d'alimentation de la machine synchrone délivré par l'onduleur et la force électromotrice fournie par la machine synchrone ;
- la figure 5, déjà décrite, présente un schéma de montage de l'état de l'art d'une machine synchrone dotée de capteurs à effet Hall montés de manière à réaliser mécaniquement l'angle de calage ;
- la figure 6 représente de manière schématique une machine synchrone à aimants permanents dotée d'un système de commande de la machine selon un mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de modes de réalisation
Sur la figure 6 est illustrée schématiquement une machine synchrone à aimants permanents dotée d'un système de commande de la machine selon un mode de réalisation de l'invention.
La machine synchrone à aimants permanents 1 est commandée par un onduleur 2 couplé en entrée à une source d'alimentation 3.
L'onduleur 2 est ici un onduleur triphasé comportant trois bras supérieurs et trois bras inférieurs. Chaque bras de l'onduleur comporte au moins un interrupteur, par exemple un transistor bipolaire à grille isolée.
La machine synchrone 1 comprend un rotor 4 à aimants permanents à quatre pôles, deux pôles nord N et deux pôles sud S, et un stator 5 muni de trois phases associées chacune à un bras de l'onduleur 2, chaque phase comportant deux enroulements 5a, 5b ou 5c diamétralement opposés.
Les secteurs angulaires du rotor 4 sont définis par les six enroulements 5a, 5b, 5c du stator. A chacun des bras de l'onduleur 2, un secteur angulaire du rotor 4 est associé, et le rotor 4 parcourt donc six secteurs.
Pour déterminer dans quel secteur angulaire le rotor 4 est présent, des capteurs à effet Hall 6a, 6b et 6c sont utilisés, disposés chacun à 120° électrique l'un de l'autre, c'est-à-dire à 60° mécanique. Ces capteurs 6a à 6c peuvent déterminer l'entrée du rotor 4 dans un secteur.
Pour commander les interrupteurs de l'onduleur 2, un système de commande est doté des capteurs à effet Hall 6a, 6b et 6c et d'un dispositif de commande 7 connecté à l'onduleur 2. Le dispositif de commande 7 peut être implémenté au sein d'un calculateur embarqué, par exemple au sein d'un microcircuit programmable du type FPGA.
Le dispositif 7 est raccordé aux capteurs à effet Hall 6a, 6b, 6c montés sur la machine synchrone 1 et est configuré pour récupérer les signaux de mesure délivrés par les capteurs à effet Hall 6a à 6c relatifs à la position du rotor 4.
Le dispositif de commande 7 comprend un module de traitement des signaux 8 aptes à appliquer un retard temporel, c'est-à-dire un déphasage temporel, sur les trois signaux mesurés pour que la commande de l'onduleur de commande tienne compte d'un angle de calage souhaité variable, notamment en fonction de la vitesse de fonctionnement de la machine synchrone 1, c'est-à-dire en fonction de la vitesse de rotation du rotor 4.
Pour pouvoir appliquer un retard aux signaux de mesure des capteurs à effet Hall 6a à 6c, chacun des trois capteurs à effet Hall 6a à 6c est positionné en avance par rapport au sens de rotation du rotor 4 et par rapport à l'axe d'une des bobines 5a, 5b, 5c des phases du stator 5 de la machine synchrone 1. Autrement dit, pour une rotation dans le sens horaire du rotor 4, le rayon formé par l'axe de rotation du rotor 4 avec un capteur à effet Hall, 6a par exemple, est décalé par rapport à l'axe formé par l'axe de rotation du rotor 4 avec la bobine 5a à laquelle le capteur est associé d'un certain angle dans le sens trigonométrique.
Pour commander de manière optimale la machine synchrone 1 à l'aide de l'onduleur de commande 2, trois mesures simultanées sont réalisées par les trois capteurs à effet Hall 6a à 6c. Les signaux de mesure sont délivrés au dispositif de commande 7 pour qu'il détermine la position du rotor 4 à partir desdites trois mesures.
Avant la détermination de la position du rotor 4, le module de traitement des signaux 8 applique à chacun des signaux reçu un déphasage angulaire correspondant à un retard temporel dont la valeur dépend de la valeur de la vitesse de rotation du rotor 4. Le déphasage temporel appliqué permet de modifier ainsi la commande de l'onduleur de commande 2 en fonction d'un angle de calage souhaité. L'angle de calage pouvant être modifié en fonction de la vitesse de rotation du rotor 4, il est possible de faire commander l'onduleur de commande 2 de la machine synchrone toujours dans les conditions optimales.
Les valeurs du retard à appliquer en fonction de la vitesse sont déterminées lors d'une phase de réglage préalable de la machine synchrone, soit sur banc test à partir de mesures réalisées du courant en entrée de l'onduleur, de la tension en entrée de l'onduleur et de la vitesse du moteur synchrone, soit à partir de calculs préalables réalisés à partir de l'équation suivante donnant, en secondes, les valeurs du retard à appliquer pour chaque valeur de la vitesse de rotation de la machine synchrone :
P
Retard— {Sinitial— ôsouhaité)—— Avec ôinitiai l'angle entre les capteurs à effet Hall et l'axe des bobines du moteur exprimé en degré, ôS0Uhaité l'angle de calage désiré exprimé en degré, et P la période électrique exprimée en seconde.
Le dispositif de commande 7 comprend en outre une mémoire 9 configurée pour stocker une table des valeurs de retard ainsi déterminées en fonction de la vitesse de rotation de la machine synchrone 1.
En variante, la mémoire 9 pourrait être externe au dispositif de commande 7.
Le dispositif de commande 7 comporte en outre un module de sélection 10 permettant, lors du fonctionnement de la machine synchrone 1, de sélectionner la valeur du retard à appliquer aux signaux de mesure reçus en fonction de la vitesse de rotation du rotor 4 pour commander l'onduleur de commande 2 de manière à obtenir un rendement optimal.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de commande à 120° d'une machine synchrone (1) à aimants permanents comportant un rotor (4) à aimants permanents et un stator (5) triphasé, la machine (1) étant associée à un onduleur de commande (2) du stator (5) de la machine synchrone (1), et le procédé comprenant :
- trois mesures simultanées réalisées chacune par un capteur à effet Hall (6a, 6b, 6c), les trois capteurs (6a, 6b, 6c) étant disposés de manière à avoir un capteur central (6a) et deux capteurs latéraux (6b, 6c), les deux capteurs latéraux (6b, 6c) étant placés à 120°/P mécaniques du capteur central (6a) par rapport à l'axe de rotation du rotor (4) de la machine synchrone (1), p étant le nombre de paires pôles de la machine synchrone,
- une détermination de la position du rotor (4) à partir desdites trois mesures,
- une commande de l'onduleur de commande (2) en fonction de la position du rotor (4) déterminée,
caractérisé en ce qu'il comprend, préalablement à la commande de l'onduleur (2), une application d'un retard temporel sur les trois signaux mesurés pour que la commande de l'onduleur de commande (2) tienne compte d'un angle de calage souhaité variable.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la valeur du retard appliquée dépend de la vitesse de rotation du rotor (4) de la machine synchrone (1).
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les trois mesures réalisées par les capteurs à effet Hall (6a, 6b, 6c) sont réalisées en avance par rapport à l'axe des bobines (5a, 5b, 5c) des phases du stator (5) de la machine synchrone (1).
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel, au préalable, on calcule, en secondes, les valeurs du retard à appliquer pour chaque valeur de la vitesse de rotation de la machine synchrone (1), à partir de l'équation suivante :
P
Retard— (5έηίί;ίαί — ôsouhaité)
Avec ôinitiai l'angle entre les capteurs à effet Hall (6a, 6b, 6c) et l'axe des bobines (5a, 5b, 5c) de la machine synchrone (1) exprimé en degré, ôsouhaité l'angle de calage désiré exprimé en degré, et P la période électrique exprimée en seconde.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel, au préalable, on détermine empiriquement les valeurs du retard à appliquer pour chaque vitesse de rotation de la machine synchrone (1) à partir de mesures réalisées sur un banc test du courant en entrée de l'onduleur (2), de la tension en entrée de l'onduleur (2) et de la vitesse de la machine synchrone (1).
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant une sélection de la valeur du retard en fonction de la vitesse de rotation de la machine synchrone (1), la sélection étant réalisée à partir d'une table de valeurs de retard en fonction de la vitesse de rotation de la machine synchrone (1) enregistrées dans une mémoire (9).
7. Système de commande à 120° d'une machine synchrone (1) à aimants permanents comportant un rotor (4) à aimants permanents et un stator (5) triphasé, la machine (1) étant associée à un onduleur de commande (2) du stator (5) de la machine synchrone (1), et le système comprenant trois capteurs à effet Hall (6a, 6b, 6c) et des moyens de commande (7) couplés en sortie desdits capteurs (6a, 6b, 6c) et configurés pour recevoir les trois signaux de mesures réalisées simultanément par les capteurs (6a, 6b, 6c), les trois capteurs à effet Hall (6a, 6b, 6c) étant montés sur le moteur synchrone (1) à aimants permanents de manière à avoir un capteur central (6a) et deux capteurs latéraux (6b, 6c), les deux capteurs latéraux (6b, 6c) étant placés à 120°/P mécaniques du capteur central (6a) par rapport à l'axe de rotation du de la machine synchrone (1), p étant le nombre de paires pôles de la machine synchrone, caractérisé en ce que les moyens de commande (7) comprennent un module de traitement des signaux (8) aptes à appliquer un retard temporel sur les trois signaux mesurés pour que la commande de l'onduleur de commande (2) tienne compte d'un angle de calage souhaité variable.
8. Système de commande selon la revendication 7, dans lequel le stator comprend des bobines (5a, 5b, 5c) et les trois capteurs à effet Hall (6a, 6b, 6c) sont positionnés en avance chacun par rapport à l'axe d'une des bobines (5a, 5b ou 5c) des phases du stator (5) de la machine synchrone (1).
9. Système de commande selon l'une des revendications 7 ou 8, comprenant une mémoire (9) apte à stocker une table de valeurs de retard en fonction de la vitesse de rotation de la machine synchrone (1), les moyens de commande (7) comportant un module de sélection (10) apte à sélectionner la valeur du retard à appliquer en fonction de la vitesse de rotation de la machine synchrone (1).
10. Ventilateur à vitesse variable comprenant une machine synchrone (1) à aimants permanents et un onduleur de commande (2) associé à la machine synchrone (1), caractérisé en ce qu'il comprend un système de commande selon l'une des revendications 7 à 9.
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