EP4500685A1 - Procédé de commande d'un moteur électrique en cas d'anomalie de mesure de la vitesse - Google Patents

Procédé de commande d'un moteur électrique en cas d'anomalie de mesure de la vitesse

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EP4500685A1
EP4500685A1 EP23718664.8A EP23718664A EP4500685A1 EP 4500685 A1 EP4500685 A1 EP 4500685A1 EP 23718664 A EP23718664 A EP 23718664A EP 4500685 A1 EP4500685 A1 EP 4500685A1
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EP
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electric motor
speed
electrical control
motor
electrical
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EP23718664.8A
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German (de)
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Inventor
François Malrait
Vincent Leboeuf
Antoine ROMET
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ArianeGroup SAS
Original Assignee
ArianeGroup SAS
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to the control of an electric motor and more particularly to the control of an electric motor following an anomaly in measuring the speed of its rotor.
  • a rotor speed sensor is generally used in order to construct a robust and efficient control law.
  • the principle of controlling an electric motor without a position sensor based on fundamental electrical quantities includes a motor controlled in voltage by an electric controller.
  • the electrical controller receives as input a measurement of the current in the motor, a value of the motor speed estimated from the voltage and current of the motor and a mechanical torque reference provided by a mechanical controller, the mechanical controller determining the reference of mechanical torque from a speed or position reference, speed estimation and control parameters of the electric controller.
  • the principle of controlling an electric motor without a position sensor from high frequency electrical quantities differs from the principle of Figure 1 in that it includes a high frequency module upstream of the motor and that the estimate made is made on the speed or position of the motor.
  • Either the control law is configured to operate with the information given by the position sensor, or the control law is configured to operate without this information. Reconfiguration from one to the other can only be done after a shutdown phase. This causes the current movement to end in an uncontrolled manner. A faulty position/speed measurement value will, through regulation, generate voltages on the motor which do not correspond to the state of the motor. This can lead to a set of inappropriate behaviors that will need to be captured through different monitoring functions.
  • the main aim of the present invention is therefore to propose a solution for reconfiguring the motor control mode on the fly, to compensate for the failure of an engine position sensor.
  • On-the-fly reconfiguration of the motor control mode means reconfiguration in operation. That is to say a reconfiguration of the motor control mode while maintaining the motor and its control means in operation.
  • a method for controlling a synchronous electric motor comprising generation of a mechanical torque reference from a mechanical setpoint, measurement of the position and a determining the speed of the electric motor from the position measurement, measuring the current generated by the electric motor, generating voltage references from the mechanical torque reference, and generating control voltages from the reference voltages.
  • the method further comprises monitoring a position measurement anomaly of the electric motor, an adaptation of the electrical control gains as a function of whether or not a position measurement anomaly of the electric motor is detected, the voltage references generated depending on the values of the electrical control gains.
  • the method according to the invention thus makes it possible to provide continuity of control of the voltage of the electric motor even in the presence of a major failure such as the loss of measurement information on the position of the motor. Detecting the failure then reconfiguring the electrical control means through adaptation of the gains, and alternatively the current reference, makes it possible to guarantee the performance of the mechanical movement of the electric motor. And this without having to stop the motor, and without having to stop the control, that is to say without having to turn off and reset the motor control.
  • Monitoring a position measurement anomaly of the electric motor also includes checking the consistency of the position or speed information with the current information.
  • Current information means data from current measurements and transformations of current measurements.
  • monitoring a position measurement anomaly of the electric motor comprises an estimation of the speed of the electric motor from the speed determined from the position measurement and the current measured at the terminals of the motor, a comparison of the estimated speed with the determined speed, and a reporting of a measurement anomaly based on the result of the comparison with respect to a detection threshold.
  • an electrical system for controlling a synchronous electric motor comprising a mechanical control block configured to receive a mechanical setpoint and deliver a mechanical torque reference, an electrical control block configured to deliver a voltage reference as a function of the torque reference delivered by the mechanical control block, a power block configured to deliver a control voltage to the electric motor as a function of the voltage reference delivered by the electrical control block, a voltage sensor position of the rotor of the electric motor that said electrical system controls, and means for measuring the current at the terminals of the electric motor controlled by the electrical control system.
  • the electrical control block further comprises:
  • an electrical control gain adaptation module configured to adapt the gains depending on whether or not a position measurement anomaly of the electric motor is detected
  • control module configured to deliver voltage references from the mechanical torque reference, the current measured at the terminals of the electric motor, and the electrical control gains delivered by the adaptation module (94).
  • the anomaly detection means comprises a module for estimating the speed of the motor from the voltage and the current of the motor, a comparator configured to compare the speed determined to the speed measured by the sensor, and a module for reporting a measurement anomaly based on the result of the comparison in relation to a detection threshold.
  • the power control block further comprises a power converter.
  • an electrical system comprising an electric motor coupled to a load, and an electrical control system as defined above coupled to the electric motor.
  • Figure 1 schematically represents an electrical system 1 comprising a synchronous electric motor 2 and a control circuit 4 according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 Figure 2 schematically presents in more detail an electrical control system 4 of the synchronous electric motor 2 of Figure 1.
  • Figure 3 is a schematic representation in more detail of an electrical control block 9 of Figure 2.
  • FIG. 4 Figure 4 schematically presents a flowchart of a control method implemented by the electrical control system 4 of the synchronous electric motor 2 according to one mode of implementation of the invention.
  • Figure 1 is schematically represented an electrical system 1 comprising a synchronous electric motor 2 with permanent magnets coupled to a load 3 and an electrical control system 4 coupled to the electric motor 2.
  • the electrical control system 4 of the synchronous electric motor 2 comprises a control assembly 5, a position sensor 6 configured to measure the speed of the rotor of the synchronous electric motor 2, and means for measuring the voltage and current across the terminals of the synchronous electric motor 2.
  • the control assembly 5 comprises a mechanical control block 8 configured to receive a mechanical setpoint Cm and deliver a reference of mechanical torque R c , an electrical control block 9 configured to deliver a voltage reference R T as a function of the torque reference Rc delivered by the mechanical control block 8, and a power block 10 configured to deliver a voltage of command T c to the electric motor 2 as a function of the voltage reference R T delivered by the electric control block 9.
  • the electrical control block 9 comprises a means 92 for detecting a measurement anomaly of the position sensor 6, a module 94 of adaptation of electrical control gains configured to adapt the gains depending on the detection or not of a position measurement anomaly of the synchronous electric motor 2, a control module 96 configured to deliver voltage references R T from the mechanical reference R c , the current measured at the terminals of the electric motor 2 by the current measurement means 7, and the electrical control gains delivered by the adaptation module 94.
  • the anomaly detection means 92 comprises a module 922 for estimating the speed of the motor from the voltage and current of the motor, a comparator 924 configured to compare the speed determined to the speed measured by the sensor of position 6, and a module 926 for signaling a measurement anomaly based on the result of the comparison in relation to a detection threshold.
  • FIG 4 is shown a flowchart of a control method implemented by the electrical control system 4 of the synchronous electric motor 2.
  • the method comprises a first step 400 of generating a mechanical torque reference from a mechanical instruction.
  • a measurement of the position is then carried out using the position sensor 6 and a determination of the speed of the electric motor 2 from the position measurement, and, in a step 410, a measurement of the current generated by the electric motor 2.
  • a step 430 we check the consistency of the position or speed information with the current information, and we determine if there is or not an anomaly, in a step 435, between said information.
  • the information consistency check includes in particular an estimation of the speed or the position of the motor from electrical quantities such as the current generated by the motor and a comparison of this estimated speed or this estimated position in relation to the measured position. or a speed determined from the measured position, this comparison can be carried out by calculating the difference between the estimated speed and the measured speed and by checking that this difference remains limited to an expected range of variation with regard to the measurement noise and of the regulation dynamics.
  • step 420 an estimate of the speed of the electric motor 2 from the position measurements and the current measured at the terminals of the motor in particular.
  • step 445 the voltage references for the selected electrical control gains are delivered to the power block 10.
  • the voltage block delivers a control voltage to the synchronous electric motor 2.
  • Estimating the speed of the synchronous electric motor 2 with permanent magnets from the electrical quantities (voltage and current) of the electric motor can be carried out in different ways.
  • the following mathematical model represents a modeling of a synchronous electric motor with surface permanent magnets (without salience) with the physical quantities of three phases S1, S2, S3, with the resistance R s , the current i on each of the phases i S i , is2, iss, and the voltage on each of the phases u s1 , U s2 , u S 3, and the electric flow on each of the phases ⁇ S1 , ⁇ s2 , ⁇ s3 .
  • the quantities (u s i, Us2, u s3 ) are sinusoidal quantities phase shifted by 2K/3.
  • the quantities (u sa , u s p) are sinusoidal quantities phase shifted by TI/2.
  • the following model represents in matrix form a synchronous electric motor with permanent magnets in the following fixed frame:
  • PLL Phase lock loop
  • the comparison between on the one hand the information obtained by the speed measurement, and on the other hand the information obtained by a speed estimation makes it possible to validate the consistency of the position or speed measurement.
  • the speed estimate can be directly a value obtained from electrical quantities, for example [Math 41] or [Math 52]; it is also possible to use a static or dynamic combination of speed measurement and speed estimation from electrical quantities.
  • the validation of coherence consists, for example, of calculating the difference between the two pieces of information, and of defining an acceptable difference threshold between these two estimates, which must be equal in steady state, for example 1 Hz.
  • a classic control of the permanent magnet electric motor consists of calculating a reference voltage vector in the following control reference:
  • ⁇ s corresponds to the pulsation of the control mark
  • 0 S corresponds to the pulsation of the control mark
  • ⁇ corresponds to the estimated engine speed
  • the gain matrices K CTRL-P and K CTRL-r must be calculated to ensure control performance. This performance depends on the dynamics of the estimated speed. It is appropriate to determine a set of gains (K CTRL-P , K CTRL-I) by speed estimation strategy, whether the estimated speed of the motor comes from the measurement, or from an estimation strategy based on electrical quantities, or a mixture of the two.
  • the reference voltage is then transformed into the three voltages to be applied to the motor phases, in two stages: from a rotation of the angle of the control mark
  • the invention thus makes it possible to provide continuity of control of the voltage of the electric motor even in the presence of a major failure such as loss of information. measuring the position of the motor. Detecting the failure then reconfiguring the electrical control means through adaptation of the gains, and alternatively the current reference, makes it possible to guarantee the performance of the mechanical movement of the electric motor.
  • the invention consists of reconfiguring the motor control mode on the fly to compensate for a failure of the position sensor, by controlling the movement. This on-the-fly reconfiguration is made possible by the invention thanks to a control of the consistency of the speed/position information with regard to the electrical measurements, and to an adaptation of the controller according to this measurement consistency.
  • the invention thus proposes a control of the consistency of the speed/position information with regard to the electrical measurements thus allowing detection of position measurement anomaly from an electrical/mechanical behavioral analysis, a reconfiguration of the electrical controllers and mechanical to control the movement, and adaptive control between a control means with speed/position measurement information and a control means with information on the measurements of electrical quantities, without speed/position measurement information.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
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  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

Procédé de commande d'un moteur électrique synchrone comprenant une génération (400) d'une référence de couple à partir d'une consigne mécanique, une mesure (405) de la position et une détermination de la vitesse du moteur, une mesure (410) du courant généré par le moteur, une génération (445) des références de tension à partir de la référence de couple, et une génération (450) des tensions de commande à partir des tensions de référence. Il comprend une surveillance d'une anomalie de la mesure de position, une adaptation (440) des gains de contrôle électrique en fonction de la détection ou non (435) d'une anomalie de mesure de position du moteur électrique, et en ce que les références de tension dépendent des valeurs des gains de contrôle électrique.

Description

Description
Titre de l'invention : Procédé de commande d'un moteur électrique en cas d'anomalie de mesure de la vitesse
Domaine Technique
L’invention concerne la commande d’un moteur électrique et plus particulièrement la commande d’un moteur électrique à la suite d’une anomalie de mesure de la vitesse de son rotor.
Technique antérieure
Pour un système de commande configuré pour contrôler un moteur électrique configuré en vitesse ou en position, un capteur de vitesse du rotor est généralement utilisé afin de construire une loi de commande robuste et performante.
Lorsque l’information de position devient inutilisable, le système devient inopérant par manque d’information suppléant la mesure. Lorsque l’anomalie arrive pendant un mouvement contrôlé, il est nécessaire de réagir instantanément pour poursuivre le mouvement et conserver le niveau de performance attendu.
Il existe différents procédés de commande d’un moteur électrique sans capteur qui peuvent être classés en deux catégories : d’une part, les procédés fonctionnant à partir des grandeurs électriques telles qu’appliquées ou mesurées sur un moteur électrique, les grandeurs électriques pouvant être des grandeurs instantanées ou des grandeurs moyennées sur une période de temps qui dépend de l’étage de puissance et de sa stratégie de commande, et, d’autre part, les procédés fonctionnant à partir de composantes hautes fréquences des grandeurs électriques, surajoutées à la commande principale.
Comme cela est illustré schématiquement sur la figure 1 , le principe de contrôle d’un moteur électrique sans capteur de position à partir des grandeurs électriques fondamentales comprend un moteur piloté en tension par un contrôleur électrique.
Le contrôleur électrique reçoit en entrée une mesure du courant dans le moteur, une valeur de la vitesse du moteur estimée à partir de la tension et du courant du moteur et une référence de couple mécanique fournie par un contrôleur mécanique, le contrôleur mécanique déterminant la référence de couple mécanique à partir d’une référence de vitesse ou de position, de l’estimation de vitesse et de paramètres de contrôle du contrôleur électrique.
Comme cela est illustré schématiquement sur la figure 2, le principe de contrôle d’un moteur électrique sans capteur de position à partir de grandeurs électriques hautes fréquences diffère du principe de la figure 1 en ce qu’il comprend un module haute fréquence en amont du moteur et que l’estimation réalisée est faite sur la vitesse ou la position du moteur.
Dans la définition des architectures des systèmes électriques connus, la présence d’une mesure de position ou de vitesse est connue au moment de la configuration du système de contrôle. C’est dans cette phase que le choix est fait d’un contrôleur qui gère ou non la mesure de position ou de vitesse.
Soit la loi de commande est configurée pour fonctionner avec l’information donnée par le capteur de position, soit la loi de commande est configurée pour fonctionner sans cette information. La reconfiguration de l’un vers l’autre ne peut se faire qu’après une phase d’arrêt. Cela induit que le mouvement en cours se termine de manière incontrôlée. Une valeur défaillante de mesure de position/vitesse va, à travers la régulation, générer des tensions sur le moteur qui ne correspondent pas à l’état du moteur. Cela peut induire un ensemble de comportements inadéquats qui devront être capturés à travers différentes fonctions de surveillance.
Dans les systèmes connus, lorsqu’un défaut est détecté, il n’est proposé de générer qu’un avertissement ou un défaut.
Exposé de l’invention
La présente invention a donc pour but principal de proposer une solution pour reconfigurer à la volée le mode de contrôle du moteur, pour pallier la défaillance d’un capteur de position du moteur. Par reconfiguration à la volée du mode de contrôle du moteur, on entend une reconfiguration en opération. C’est-à-dire une reconfiguration du mode de contrôle du moteur tout en maintenant le moteur et son moyen de contrôle en opération.
Dans un premier objet de l’invention, il est proposé un procédé de commande d’un moteur électrique synchrone, comprenant une génération d’une référence de couple mécanique à partir d’une consigne mécanique, une mesure de la position et une détermination de la vitesse du moteur électrique à partir de la mesure de position, une mesure du courant généré par le moteur électrique, une génération des références de tension à partir de la référence de couple mécanique, et une génération des tensions de commande à partir des tensions de référence.
Le procédé comprend en outre une surveillance d’une anomalie de mesure de position du moteur électrique, une adaptation des gains de contrôle électrique en fonction de la détection ou non d’une anomalie de mesure de position du moteur électrique, les références de tension générées dépendant des valeurs des gains de contrôle électrique.
Le procédé selon l’invention permet ainsi de fournir une continuité de contrôle de la tension du moteur électrique même en présence d’une défaillance majeure qu’est la perte d’information de mesure de la position du moteur. La détection de la défaillance puis la reconfiguration du moyen de commande électrique à travers l’adaptation des gains, et alternativement de la référence de courant, permet de garantir la performance du mouvement mécanique du moteur électrique. Et cela sans subir l’arrêt du moteur, et sans avoir à arrêter le contrôle, c’est-à-dire sans avoir à éteindre, et réinitialiser le contrôle du moteur.
La surveillance d’une anomalie de mesure de position du moteur électrique comporte en outre un contrôle de la cohérence de l’information de position ou de vitesse avec les informations de courant.
On entend par l’information de courant, les données issues des mesures de courant et des transformations des mesures de courant.
Dans un aspect du procédé, la surveillance d’une anomalie de mesure de position du moteur électrique comprend une estimation de la vitesse du moteur électrique à partir de la vitesse déterminée à partir de la mesure de position et du courant mesurée aux bornes du moteur, une comparaison de la vitesse estimée à la vitesse déterminée, et un signalement d’une anomalie de mesure en fonction du résultat de la comparaison par rapport à un seuil de détection.
Selon un autre objet de l’invention, il est proposé un système électrique de commande d’un moteur électrique synchrone comprenant un bloc de commande mécanique configuré pour recevoir une consigne mécanique et délivrer une référence de couple mécanique, un bloc de commande électrique configuré pour délivrer une référence de tension en fonction de la référence de couple délivrée par le bloc de commande mécanique, un bloc de puissance configuré pour délivrer une tension de commande au moteur électrique en fonction de la référence de tension délivrée par le bloc de commande électrique, un capteur de position du rotor du moteur électrique que ledit système électrique commande, et des moyens de mesures du courant au bornes du moteur électrique commandé par le système électrique de commande.
Selon une caractéristique générale du système selon l’invention, le bloc de commande électrique comprend en outre :
- un moyen de détection d’une anomalie de mesure du capteur de position,
- un module d’adaptation des gains de contrôle électrique configuré pour adapter les gains en fonction de la détection ou non d’une anomalie de mesure de position du moteur électrique, et
- un module de commande configuré pour délivrer des références de tension à partir de la référence de couple mécanique, du courant mesuré aux bornes du moteur électrique, et des gains de contrôle électrique délivrés par le module (94) d’adaptation.
Dans un premier aspect du système selon l’invention, le moyen de détection d’anomalie comprend un module d’estimation de la vitesse du moteur à partir de la tension et du courant du moteur, un comparateur configuré pour comparer la vitesse déterminée à la vitesse mesurée par le capteur, et un module de signalement d’une anomalie de mesure en fonction du résultat de la comparaison par rapport à un seuil de détection.
Dans un second aspect du système selon l’invention, le bloc de commande de puissance comprend en outre un convertisseur de puissance.
Selon un autre objet de l’invention, il est proposé un système électrique comprenant un moteur électrique couplé à une charge, et un système électrique de commande tel que défini ci-dessus couplé au moteur électrique.
Brève description des dessins
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. [Fig. 1 ] La figure 1 représente schématiquement un système électrique 1 comportant un moteur électrique synchrone 2 et un circuit de commande 4 selon l’un mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 2] La figure 2 présente schématiquement plus en détail un système électrique de commande 4 du moteur électrique synchrone 2 de la figure 1 .
[Fig. 3] La figure 3 est une représentation schématiquement plus en détail d’un bloc de commande électrique 9 de la figure 2.
[Fig. 4] La figure 4 présente schématiquement un logigramme d’un procédé de commande mis en oeuvre par le système électrique de commande 4 du moteur électrique synchrone 2selon un mode de mise en oeuvre de l’invention.
Description des modes de réalisation
Sur la figure 1 est représenté schématiquement un système électrique 1 comprenant un moteur électrique synchrone 2 à aimants permanents couplé à une charge 3 et un système électrique de commande 4 couplé au moteur électrique 2.
Le système électrique de commande 4 du moteur électrique synchrone 2 comprend un ensemble de commande 5, un capteur de position 6 configuré pour mesurer la vitesse du rotor du moteur électrique synchrone 2, et des moyens de mesure de la tension et du courant aux bornes du moteur électrique synchrone 2.
Comme cela est illustré sur la figure 2 qui présente schématiquement plus en détail un système électrique de commande 4 du moteur électrique synchrone 2, l’ensemble de commande 5 comprend un bloc de commande mécanique 8 configuré pour recevoir une consigne mécanique Cm et délivrer une référence de couple mécanique Rc, un bloc de commande électrique 9 configuré pour délivrer une référence de tension RT en fonction de la référence de couple Rc délivrée par le bloc de commande mécanique 8, et un bloc de puissance 10 configuré pour délivrer une tension de commande Tc au moteur électrique 2 en fonction de la référence de tension RT délivrée par le bloc de commande électrique 9.
Comme cela est illustré sur la figure 3 qui représente schématiquement un bloc de commande électrique 9 plus en détail, le bloc de commande électrique 9 comprend un moyen 92 de détection d’une anomalie de mesure du capteur de position 6, un module 94 d’adaptation des gains de contrôle électrique configuré pour adapter les gains en fonction de la détection ou non d’une anomalie de mesure de position du moteur électrique synchrone 2, un module 96 de commande configuré pour délivrer des références de tension RT à partir de la référence mécanique Rc, du courant mesuré aux bornes du moteur électrique 2 par les moyens de mesure 7 du courant, et des gains de contrôle électrique délivrés par le module 94 d’adaptation.
En outre, le moyen 92 de détection d’anomalie comprend un module 922 d’estimation de la vitesse du moteur à partir de la tension et du courant du moteur, un comparateur 924 configuré pour comparer la vitesse déterminée à la vitesse mesurée par le capteur de position 6, et un module 926 de signalement d’une anomalie de mesure en fonction du résultat de la comparaison par rapport à un seuil de détection.
Sur la figure 4 est représenté un ordinogramme d’un procédé de commande mis en oeuvre par le système électrique de commande 4 du moteur électrique synchrone 2. Le procédé comprend une première étape 400 de génération d’une référence de couple mécanique à partir d’une consigne mécanique. Dans une seconde étape 405, on réalise ensuite une mesure de la position à l’aide du capteur de position 6 et une détermination de la vitesse du moteur électrique 2 à partir de la mesure de position, et, dans une étape 410, une mesure du courant généré par le moteur électrique 2.
On réalise ensuite une surveillance d’anomalie de mesure du capteur de position 6. Pour cela, dans une étape 430, on contrôle la cohérence de l’information de position ou de vitesse avec les informations de courant, et on détermine s’il existe ou non une anomalie, dans une étape 435, entre lesdites informations. Le contrôle de cohérence des informations comprend notamment une estimation de la vitesse ou de la position du moteur à partir des grandeurs électriques telles que le courant généré par le moteur et une comparaison de cette vitesse estimée ou de cette position estimée par rapport à la position mesurée ou une vitesse déterminée à partir de la position mesurée, cette comparaison pouvant s’effectuer en calculant la différence entre la vitesse estimée et la vitesse mesurée et en vérifiant que cet écart reste borné à une plage de variation attendue au regard du bruit de mesure et de la dynamique de régulation.
Suite au contrôle de la cohérence des informations, on peut délivrer, dans une étape 420, une estimation de la vitesse du moteur électrique 2 à partir des mesures de position et du courant mesuré aux bornes du moteur notamment. Dans une étape suivante 445, on délivre les références de tension pour les gains de contrôle électrique sélectionnés au bloc de puissance 10.
Enfin, dans une étape 450, le bloc de tension délivre une tension de commande au moteur électrique synchrone 2.
L’estimation de la vitesse du moteur électrique synchrone 2 à aimants permanents à partir des grandeurs électriques (tension et courant) du moteur électrique peut être réalisée de différentes manières.
Le modèle mathématique suivant représente une modélisation d’un moteur électrique synchrone à aimants permanents surfaciques (sans saillance) avec les grandeurs physiques de trois phases S1 , S2, S3, avec la résistante Rs, le courant i sur chacune des phases iSi, is2, iss, et la tension sur chacune des phases us1, Us2, uS3, et le flux électrique sur chacune des phases φ S1 , φ s2, φ s3. [Math [Math [Math
Avec le flux φ exprimé par l’équation matricielle de couplage magnétique:
[Math 4]
Avec M représentant la valeur de mutuelle inductance statorique, L représentant la valeur de l’auto-inductance statorique, <4>M représentant la valeur de flux permanent, et 0 représentant la position de l’aimant. Et le couple électromagnétique TEM exprimé par l’équation suivante :
Avec np représentant le nombre de paires de pôles.
En régime établi, les grandeurs (usi, Us2, us3) sont des grandeurs sinusoïdales déphasées de 2K/3.
Nous savons par construction de la machine électrique que iS1 + is2 + is3 = 0. En appliquant la transformée de Clarke sur les grandeurs triphasées, c’est-à-dire en appliquant les deux matrices de transformations suivantes : nous pouvons définir pour chaque grandeur X un nouveau vecteur de coordonnées
(ou de variables) : [Math
Nous obtenons les relations :
[Math
[Math
[Math
Avec par construction que isz = 0, et
[Math
[Math
Où Ldq = L-M, et Ly = L + 2.M.
Ce modèle montre que la troisième composante n’a pas de rôle fonctionnel dans la mesure où la grandeur de courant est nulle et que cette composante n’intervient pas dans la génération de couple. Il vient l’écriture du système biphasé classique : [Math
[Math
Avec par construction que iSz = 0, et
[Math [Math
[Math
En régime établi, les grandeurs (usa, usp) sont des grandeurs sinusoïdales déphasées de TI/2.
En remplaçant les variables de flux, nous obtenons les équations du moteur synchrone à aimants permanents sans saillances :
[Math
[Math
[Math
[Math
Le modèle suivant représente sous forme matricielle un moteur électrique synchrone à aimants permanents dans le repère fixe suivant :
[Math
[Math
[Math
Avec les notations suivantes :
[Math 26] la tension du moteur, [Math 27] le courant du moteur, 0, la position de l’aimant, co, la vitesse de l’aimant, et les matrices : [Math
[Math
En régimes établis mécanique et électrique, le système atteint l’équilibre stationnaire. Le moteur tourne à la vitesse co=d0/dt sous une contrainte de couple de charge TEM = TLOAD- L’expression suivante du couple :
[Math permet d’exprimer le courant sous une forme générale :
[Math Avec une valeur quelconque (qui est souvent fixée par le contrôleur).
Il vient alors l’expression :
[Math qui permet d’écrire [Math
Avec les variables
[Math 35]
Dans la pratique, il n’est pas possible de connaître précisément la phase e à partir des signaux électriques pris individuellement. Il est possible d’estimer la pulsation des signaux électrique, une image de la vitesse, c’est-à-dire la dérivée de la position.
Pour estimer la vitesse à partir de la phase des grandeurs électriques, il suffit de calculer l’angle du vecteur tension avec un calcul direct de l’inverse de la fonction tangente par exemple.
Il est aussi possible d’utiliser un algorithme de type PLL (Phase lock loop).
Dans tous les cas, il y a un décalage de phase <p entre la phase des grandeurs électriques et la position du rotor (qui dépend de la stratégie de contrôle en premier lieu) qui est à prendre en compte sur les expressions précédentes du repère tournant. Il vient :
[Math 36]
[Math 37] et
[Math 38] On peut également déterminer la vitesse du moteur électrique à partir des amplitudes des grandeurs électriques. De l’expression [Math 38], on peut extraire également une estimation de la vitesse, cette fois basée sur l’amplitude de la tension, du courant, en résolvant l’équation suivante : [Math 39] C’est-à-dire
[Math
Et [Math
Avec :
[Math 42]
[Math 43]
[Math 44]
[Math 45]
Remarquons qu’il n’y a pas d’objection à utiliser les grandeurs dans le repère fixe au lieu d’un repère tournant dans les formules précédentes.
L’expression précédente donne deux solutions (une positive, une négative). Il est possible de lever l’indétermination en sélectionnant la vitesse qui a le signe en cohérence avec le sens du mouvement du vecteur de tension (si sa phase croît ou décroit).
En reprenant le modèle du moteur dans le repère fixe (équations [Math 23] et [Math 24]), pour construire une estimation dynamique, on fait le choix de se placer dans un repère tournant à la vitesse :
[Math 46] avec :
[Math 47]
[Math 48]
On a alors : [Math 49]
[Math 50]
[Math
On peut alors construire l’observateur : [Math 53]
Il reste à définir la structure des gains K qui garantisse que la grandeur ω, correspondant à l’estimation de la vitesse, tende vers ω. Avec la notation 6X = X - X, alors la différence entre le modèle moteur et l’observateur peut s’écrire : [Math 54] [Math 55]
[Math 56]
Le choix : [Math 57]
[Math 58] amène à
[Math 59] [Math 60] [Math
L’étude classique de ce système montre la convergence de l’estimateur de vitesse basé sur les grandeurs électriques [Math 53] vers la vitesse réelle.
La comparaison entre d’un côté l’information obtenue par la mesure de vitesse, et d’un autre côté l’information obtenue par une estimation de vitesse permet de valider la cohérence de la mesure de position ou de vitesse. L’estimation de vitesse peut être directement une valeur obtenue à partir des grandeurs électriques, par exemple [Math 41] ou [Math 52] ; il est également possible d’utiliser une combinaison statique ou dynamique de la mesure de vitesse et de l’estimation de vitesse à partir des grandeurs électriques. La validation de la cohérence consiste par exemple à calculer l’écart entre les deux informations, et à définir un seuil acceptable de différence entre ces deux estimations, qui doivent être égales en régime établi, par exemple 1 Hz.
Une commande classique du moteur électrique à aimants permanents consiste en calculer un vecteur de tension de référence dans le repère de contrôle suivant : [Math
[Math
[Math
Avec
[Math
[Math ou correspond a la tension de reference, œs correspond a la pulsation du repere de contrôle, 0S correspond a la pulsation du repere de contrôle, correspond au courant de référence, correspond au courant du moteur dans le repère de contrôle, et œ correspond à la vitesse estimée du moteur.
Les matrices de gains KCTRL-P et KCTRL-r sont à calculer pour assurer la performance de contrôle. Cette performance dépend de la dynamique de la vitesse estimée. Il convient de déterminer un jeu de gains (KCTRL-P, KCTRL-I) par stratégie d’estimation de la vitesse, que la vitesse estimée du moteur soit issue de la mesure, ou d’une stratégie d’estimation à partir des grandeurs électriques, ou d’un mixte des deux.
La tension de référence est alors transformée vers les trois tensions à appliquer sur les phases du moteur, en deux étapes : à partir d’une rotation de l’angle du repère de contrôle
[Math puis a
[Math
L’invention permet ainsi de fournir une continuité de contrôle de la tension du moteur électrique même en présence d’une défaillance majeure qu’est la perte d’information de mesure de la position du moteur. La détection de la défaillance puis la reconfiguration du moyen de commande électrique à travers l’adaptation des gains, et alternativement de la référence de courant, permet de garantir la performance du mouvement mécanique du moteur électrique. En d’autres termes, l’invention consiste à reconfigurer à la volée le mode de contrôle du moteur pour pallier une défaillance du capteur de position, en contrôlant le mouvement. Cette reconfiguration à la volée est permise par l’invention grâce à un contrôle de la cohérence de l’information de vitesse/position au regard des mesures électriques, et à une adaptation du contrôleur en fonction de cette cohérence de mesure.
L’invention propose ainsi un contrôle de la cohérence de l’information de vitesse/position au regard des mesures électriques permettant ainsi une détection d’anomalie de mesure de position à partir d’une analyse comportementale électrique/mécanique, une reconfiguration des contrôleurs électrique et mécanique pour contrôler le mouvement, et un contrôle adaptatif entre un moyen de contrôle avec l’information de mesure vitesse/position et un moyen de contrôle avec l’information des mesures des grandeurs électriques, sans information de mesure de vitesse/position.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de commande d'un moteur électrique synchrone, comprenant une génération (400) d'une référence de couple mécanique à partir d'une consigne mécanique, une mesure (405) de la position du moteur électrique et une détermination de la vitesse du moteur électrique à partir de la mesure de position, une mesure (410) du courant généré par le moteur électrique, une génération (445) des références de tension à partir de la référence de couple mécanique, et une génération des tensions de commande (450) à partir des tensions de référence, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une surveillance d'une anomalie de mesure de position du moteur électrique, une adaptation (440) des gains de contrôle électrique en fonction de la détection ou non (435) d'une anomalie de mesure de position du moteur électrique, et en ce que les références de tension dépendent des valeurs des gains de contrôle électrique, la surveillance d'une anomalie de mesure de position du moteur électrique comportant un contrôle (430) de la cohérence de l'information de position ou de vitesse avec les informations de courant.
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1, dans lequel la surveillance d'une anomalie de mesure de position du moteur électrique comprend une estimation (420) de la vitesse du moteur électrique à partir de la vitesse déterminée à partir de la mesure de position et du courant mesuré aux bornes du moteur, une comparaison de la vitesse estimée à la vitesse mesurée, et un signalement (435) d'une anomalie de mesure en fonction du résultat de la comparaison par rapport à un seuil de détection.
[Revendication 3] Système électrique de commande (4) d'un moteur électrique synchrone (2) comprenant un bloc de commande mécanique (8) configuré pour recevoir une consigne mécanique (Cm) et délivrer une référence de couple mécanique (Rc), un bloc de commande électrique (9) configuré pour délivrer une référence de tension (RT) en fonction de la référence de couple délivrée par le bloc de commande mécanique (8), un bloc de puissance (10) configuré pour délivrer une tension de commande (Tc) au moteur électrique (2) en fonction de la référence de tension (RT) délivrée par le bloc de commande électrique (9), un capteur de position (6) du rotor du moteur électrique (2) que ledit système électrique de commande (4) commande, et des moyens (7) de mesures du courant aux bornes du moteur électrique (2) commandé par ledit système électrique de commande (4), caractérisé en ce que le bloc de commande électrique (9) comprend en outre :
- un moyen (92) de détection d'une anomalie de mesure du capteur de position (6) via un contrôle de la cohérence de l'information de position ou de vitesse avec les informations de courant,
- un module (94) d'adaptation des gains de contrôle électrique configuré pour adapter les gains en fonction de la détection ou non d'une anomalie de mesure de position du moteur électrique,
- un module (96) de commande configuré pour délivrer des références de tension à partir de la référence de couple mécanique, du courant mesuré aux bornes du moteur électrique, et des gains de contrôle électrique délivrés par le module (94) d'adaptation.
[Revendication 4] Système électrique de commande (4) selon la revendication 3, dans lequel le moyen de détection d'anomalie (92) comprend un module (922) d'estimation de la vitesse du moteur à partir de la tension et du courant du moteur, un comparateur (924) configuré pour comparer la vitesse déterminée à la vitesse mesurée par le capteur, et un module (926) de signalement d'une anomalie de mesure en fonction du résultat de la comparaison par rapport à un seuil de détection.
[Revendication 5] Système électrique de commande (4) selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel le bloc de commande de puissance (10) comprend en outre un convertisseur de puissance.
[Revendication 6] Système électrique (1) comprenant un moteur électrique synchrone (2) couplé à une charge (3), et un système électrique de commande (4) selon l'une des revendications 3 à 5 couplé au moteur électrique synchrone
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