FR2778800A1 - Procede d'estimation de l'etat de moteurs asynchrones sans transmetteur de la vitesse de rotation - Google Patents
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Abstract
Selon ce procédé pour déterminer les flux magnétiques et la vitesse de rotation d'un moteur asynchrone à l'aide des valeurs de mesure des tensions et courants (us ) is ) du moteur, on détermine à partir des allures des courants et des courants du moteur superposés à l'oscillation de base, une valeur de l'inductance de fuite du moteur, à partir de laquelle on obtient, à l'aide d'une courbe caractéristique de saturation, une valeur absolue (CF DESSIN DANS BOPI) du flux magnétique dans le moteur, et l'on comparecette valeur absolue du flux à une valeur estimée (CF DESSIN DANS BOPI) d'undispositif d'observation du flux et de la vitesse de rotation et on utilise l'écart obtenu pour stabiliser et corriger par réaction les valeurs estimées du dispositif d'observation.Application notamment aux moteurs asynchrones alimentés par un mutateur.
Description
Pour le fonctionnement de moteurs asynchrones avec alimentation par un
mutateur, l'état de la technique consiste aujourd'hui en une régulation axée sur le flux. On connaît de nombreuses formes de réalisation basées sur ce principe (par exemple une régulation axée sur le flux rotorique ou sur le flux statorique). De cette manière on parvient à imprimer tant d'une manière stationnaire que d'une manière dynamique un couple désiré au moteur synchrone. Toutes les formes de réalisation de telles régulations axées sur le flux requièrent à cet effet un type d'informations concernant les valeurs actuelles des
flux magnétiques dans le moteur (du rotor et/ou du stator).
Cependant les flux magnétiques ne sont en général pas mesurables directement. Au contraire ces grandeurs d'état non mesurables sont déterminées à partir d'autres grandeurs de mesure disponibles, notamment au moyen de l'estimation
ou de l'observation.
Si on dispose de courants, de tensions et de la vitesse de rotation du moteur comme grandeurs de mesure, on peut déterminer le flux avec une précision suffisante. Pour des questions de coût, de fiabilité ou d'agencement du point de vue construction, on souhaiterait cependant
fortement se passer d'une mesure de la vitesse de rotation.
Dans la mesure o la tension induite par le mouvement de rotation du moteur se manifeste de façon nette dans la tension aux bornes du moteur, on peut parfaitement obtenir avec des procédés usuels, et ce sans valeur de mesure de la vitesse de rotation, une bonne estimation du flux ou un bon pilotage du couple. Un tel procédé a été décrit par exemple par H. Kubota, K. Matsuse (DSP-Based Speed Adaptive Flux Observer of Induction Motor; IEEE Trans. Industry
Applications, vol. 29, No 2, Mars/Avril 1993, pages 344-
348). Ce procédé et d'autres procédés similaires sont basés
sur des modèles essentiellement linéaires de moteurs.
Au voisinage de l'état d'arrêt - notamment dans le cas d'une fréquence statorique qui s'évanouit - au contraire le flux ne peut plus être estimé avec des procédés usuels (comme par exemple avec ceux indiqués plus haut) et un pilotage défini du couple ne peut plus être garanti. Au sens de la technique de régulation, la capacité d'observation du système est perdue. Le remplacement, proposé à titre auxiliaire dans le document allemand DE 44 33 551 C2, de l'estimation normale par une estimation commandée dans le cas de faibles vitesses de rotation peut en général stabiliser le système d'entraînement; ceci ne permet cependant également pas d'obtenir un pilotage défini
du couple.
A partir du procédé de saturation non linéaire des trajet de flux magnétique dans le moteur, on peut cependant obtenir d'autres informations que l'on peut utiliser pour l'estimation du flux. Conformément à la proposition selon le document européen EP O 579 694 B1, on peut déterminer l'état du flux sur la base de son action sur une saturation magnétique locale dans le moteur. Cette action se manifeste par un comportement électrique différent en rapport avec deux axes spatiaux du moteur. Il s'avère cependant que cet effet de saturation, qui dépend d'une direction, existe en général, mais peut être éventuellement très faible. Dans les conditions d'une utilisation industrielle, il peut être difficile de détecter cet effet au moyen d'une technique de
mesure et de l'utiliser.
C'est pourquoi l'invention a pour but d'obtenir encore également à l'état d'arrêt ou à proximité de cet état, sans l'utilisation d'un transmetteur de la vitesse de rotation et moyennant une dépense technique de mesure admissible pour la détermination de courants et de tensions du moteur, une estimation de l'état du flux magnétique et de la vitesse de rotation d'un moteur asynchrone et de
permettre par conséquent un pilotage fiable du couple.
Ce problème est résolu conformément à l'invention à l'aide d'un procédé pour déterminer les flux magnétiques et la vitesse de rotation d'un moteur asynchrone uniquement moyennant l'utilisation de valeurs de mesure des tensions et des courants du moteur, caractérisé en ce qu'à partir des allures du courant et des tensions du moteur superposées à l'oscillation de base, on détermine une valeur de l'inductance de fuite du moteur et, à partir de cette valeur, on détermine, à l'aide d'une courbe caractéristique de saturation, une valeur absolue du flux magnétique dans le moteur, et que l'on compare cette valeur absolue du flux ou une valeur, qui lui est équivalente, à une valeur estimée correspondante d'un dispositif d'observation du flux et de la vitesse de rotation et qu'on utilise l'écart résultant au moyen d'une réaction de stabilisation et de correction des valeurs estimées du
dispositif d'observation.
Selon une autre caractéristique de l'invention, on utilise comme dispositif d'observation du flux et de la vitesse de rotation, une structure correspondant à un
filtre Kalman étendu.
Selon une autre caractéristique de l'invention, on calcule en différé le gain de réaction du filtre de Kalman étendu pour des points importants de fonctionnement et que ces résultats sont disponibles, pour le calcul en direct du filtre, sous la forme de formules ou de tableaux d'approximation. Selon une autre caractéristique de l'invention, on utilise la valeur estimée obtenue de la vitesse de rotation
de fonctions de régulation superposées.
Selon une autre caractéristique de l'invention, avec une vitesse de rotation croissante, un remplacement continu de l'estimation normale est exécuté au moyen d'un dispositif d'observation classique du flux et de la vitesse
de rotation.
D'autres caractéristiques et avantages de la
présente invention ressortiront de la description donnée
ci-après, prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente un circuit pour la détermination de flux dans un moteur électrique selon une technique antérieure; et - la figure 2 représente un circuit d'estimation de
l'état d'un moteur asynchrone selon l'invention.
Contrairement à la variabilité relativement faible, qui dépend de la direction, du comportement électrique sur la base de la saturation magnétique, une variation, indépendante de la direction, de l'inductance de fuite en fonction de la valeur absolue du flux est nettement mieux marquée et par conséquent est également plus simple à détecter au moyen d'une technique de mesure. De façon prépondérante, le flux statorique devrait influer sur cette saturation des voies de fuite. Cependant le principe ainsi décrit est utilisable de la même manière lorsque sur la base de la construction du moteur, la saturation est provoquée, au lieu de cela, par le flux principal ou le flux rotorique. C'est pourquoi ci-après on utilisera d'une
manière générale l'expression "valeur absolue du flux".
L'inductance de fuite d'un moteur peut être également déterminée pendant le fonctionnement par mesure et exploitation des harmoniques du courant et de la tension. Les impulsions de tension, qui sont typiques pour un mutateur et existent déjà dans le cas du fonctionnement d'un moteur avec un mutateur, peuvent déjà suffire pour effectuer la détermination de l'inductance de fuite à l'aide d'une exploitation, utilisant une technique de mesure, de l'ondulation du courant provoquée par les impulsions de tension. Dans le cas o ces harmoniques, qui sont typiques pour le mutateur, ne suffiraient pas, on peut superposer des excitations harmoniques artificielles supplémentaires à la tension du moteur à l'aide d'une
commande appropriée du mutateur.
On peut par conséquent supposer qu'il est possible, grâce à la détermination de l'inductance de fuite à l'aide d'une exploitation des valeurs de mesure i., u, de la tension et du courant, de déterminer une valeur il pour la valeur absolue du flux magnétique (voir le bloc 1 sur la
figure 1).
L'information relative uniquement à la valeur absolue du flux n'est cependant pas suffisante pour réaliser une régulation axée sur le flux. Au contraire la direction du flux a une importance déterminante. Bien que l'exploitation supposée des harmoniques fournisse uniquement la valeur absolue du flux, une exploitation appropriée de cette grandeur conjointement avec les valeurs de mesure de courants et de tensions permet de déterminer
l'état du flux du moteur d'une manière complète - c'est-à-
dire également la direction du flux.
La valeur absolue déterminée du flux It peut être traitée par exemple de la manière suivante: cette valeur absolue ou une autre grandeur équivalente (par exemple l'inductance de fuite déterminée) est comparée à la valeur estimée correspondante Ii< d'un dispositif d'observation usuel qui travaille uniquement à proximité de l'état d'arrêt, mais pas de façon fiable - et l'écart est utilisé au moyen d'une réaction pour réaliser la stabilisation et la correction ou pour réaliser l'équilibrage du moteur de
ce dispositif d'observation (figure 1).
Pour un traitement plus uniforme des grandeurs de mesure électriques indiquées jusqu'alors et de la valeur absolue supplémentaire du flux, on peut utiliser avantageusement un filtre de Kalman étendu (figure 2). Un filtre de Kalman linéaire normal est habituellement utilisé
pour estimer des grandeurs d'état de systèmes linéaires.
Pour le présent problème d'estimation non linéaire, le vecteur d'estimation, qui est formé tout d'abord de respectivement deux composantes spatiales du flux statorique et du flux rotorique '., Y=, de la même manière que dans le document allemand DE 44 33 551 C2, est augmenté de la vitesse de rotation Ar en tant que grandeur d'estimation (à la place des flux, on peut également utiliser d'autres grandeurs d'état équivalentes du moteur, par exemple les courants). Contrairement à ce qui est indiqué dans le document allemand DE 44 33 551 C2, le modèle linéaire de moteur utilisé dans ce document, qui est décrit de façon plus détaillée également dans J. Bocker, J. Janning: Discret-Time Flux Observer for PWM Inverter Fed Induction Motors; European Transactions on Electrical Power Engineering, Vol. 1, 1991, N 2, pages 95-71, est complété ici d'un modèle partiel non linéaire pour la formation de la valeur absolue du flux If< (dans le cas le plus simple une formation de la valeur absolue du vecteur
du flux statorique).
Les deux composantes de la tension us du moteur sont utilisés en tant que grandeurs d'entrée du filtre de Kalman étendu. Ce filtre fournit alors, en dehors de l'estimation i du courant statorique, également l'estimation M1I. Les estimations du courant sont alors comparées à la mesure i. du courant, tandis que la valeur estimée de la valeur absolue du flux est comparée à la valeur |w fournie par l'exploitation des harmoniques. Les écarts sont également appliqués par réaction, au moyen du gain de réaction K, aux valeurs estimées du vecteur d'état étendu (figure 2). Le calcul du gain K s'effectue au moyen de l'algorithme récursif usuel du filtre de Kalman (voir par exemple: G. C. Goodwin, K.S. Sin: Adaptive Filtering Prediction and Control; Prentice-hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1984). Les matrices nécessaires du système sont obtenues à partir de la linéarisation
respective du système non linéaire.
Au lieu d'exécuter en direct l'algorithme pour le calcul de l'amplification ou du gain de Kalman, il est également possible de mémoriser les résultats de calculs en différé, sous la forme de tableaux, éventuellement
moyennant l'introduction d'approximations.
De cette manière, également dans l'état d'arrêt, on peut déterminer l'état complet du flux du moteur et obtenir une régulation axée sur le flux. En outre le filtre de Kalman étendu fournit une valeur estimée 'e, de la vitesse de rotation, qui peut être utilisée éventuellement par des
fonctions de régulation de rang supérieur.
De façon plus précise les références aux figures,
indiquées ci-après, ont les significations suivantes.
1. Circuit de détermination de la valeur absolue du flux.
2. Dispositif d'observation classique du flux et de la
vitesse de rotation.
3. Formation de la valeur absolue du flux responsable de la saturation. 4. Algorithme pour le calcul du gain de réaction du filtre Kalman.
C. Matrice de sortie.
H. Matrice d'entrée.
K. Matrice de réaction.
OD. Matrice de transition.
T. Circuit de temporisation.
Claims (5)
1. Procédé pour déterminer les flux magnétiques et la vitesse de rotation d'un moteur asynchrone uniquement moyennant l'utilisation de valeurs de mesure des tensions et des courants du moteur, caractérisé en ce qu'à partir des allures du courant et des tensions du moteur superposées à l'oscillation de base, on détermine une valeur de l'inductance de fuite du moteur et, à partir de cette valeur, on détermine, à l'aide d'une courbe caractéristique de saturation, une valeur absolue (IWI) du flux magnétique dans le moteur, et que l'on compare cette valeur absolue du flux (^1T) ou une valeur, qui lui est équivalente, à une valeur estimée( 'l<) correspondante d'un dispositif d'observation du flux et de la vitesse de rotation et qu'on utilise l'écart résultant au moyen d'une réaction de stabilisation et de correction
des valeurs estimées du dispositif d'observation.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme dispositif d'observation du flux et de la vitesse de rotation, une structure correspondant à
un filtre Kalman étendu.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on calcule en différé (en 4) du gain de réaction du filtre de Kalman étendu pour des points importants de fonctionnement et que ces résultats sont disponibles, pour le calcul en direct du filtre, sous la forme de formules ou
de tableaux d'approximation.
4. Procédé selon l'une quelconque des
revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on utilise la
valeur estimée obtenue de la vitesse de rotation de
fonctions de régulation superposées.
5. Procédé selon l'une quelconque des
revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'avec une vitesse
de rotation croissante, un remplacement continu de l'estimation normale est exécuté au moyen d'un dispositif d'observation classique du flux et de la vitesse de
rotation (2).
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|---|---|---|---|
| DE19823349A DE19823349A1 (de) | 1998-05-13 | 1998-05-13 | Zustandsschätzverfahren für Asynchronmotoren ohne Drehzahlgeber |
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