FR2913289A1

FR2913289A1 - Procede de commande d'une machine a reluctance variable.

Info

Publication number: FR2913289A1
Application number: FR0753592A
Authority: FR
Inventors: Serge Loudot; Montacer Rekik
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2007-03-01
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2008-09-05
Anticipated expiration: 2027-03-01
Also published as: WO2008116995A2; FR2913289B1; WO2008116995A3

Abstract

L'invention concerne un procédé et un dispositif, le procédé de commande d'une machine à réluctance variable (1) fonctionnant à basse vitesse, caractérisé en ce que, pour un couple de consigne et une vitesse donnée de la machine, on minimise la valeur du courant de crête (Ilim) circulant dans la ou chaque phase celle-ci.

Description

L'invention concerne un procédé de commande d'une machine

électromagnétique. L'invention concerne plus précisément un procédé de commande d'une machine à réluctance variable (MRV).

L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. L'invention pourra en particulier trouver des applications dans le secteur automobile. A titre d'exemples non limitatifs, l'invention pourra trouver application pour un moteur hybride comprenant une partie motrice électrique, un véhicule électrique, une pile à combustible, un alterno-démarreur ou un moteur-roue. Une machine à réluctance variable, comparée à d'autres types de machines électromagnétiques, telles que les machines synchrones ou asynchrones, produit de fortes ondulations de couple.

Or, ces ondulations du couple de la machine contribuent au bruit et aux vibrations, surtout à basse vitesse. Par basse vitesse , l'homme du métier comprend qu'il s'agit de la zone de comportement de la machine pour laquelle le couple maximum de la machine est constant ou quasi-constant.

Une MRV est représentée schématiquement sur la figure 1. Elle comprend un rotor 2 et un stator 3, chacun munis de dents 21, 31 respectivement. Le stator 3 comprend des bobines concentrées 32, disposées dans les encoches 33 du stator 3, et formant chacun un bobinage d'une phase statorique de la MRV 1.

Sur la figure 2, où le comportement de l'évolution type du couple maximum de la machine en fonction de la vitesse est illustré, la zone de basse vitesse est ainsi délimitée par la zone pour laquelle V est inférieure ou égale à Vmax,BV. Dans cette zone de basse vitesse, on fonctionne avec le courant maximum admissible I11m, ce qui limite de fait le couple délivré par la MRV. Au-delà, c'est-à-dire pour V > Vmax,BV, on considère que la machine est dans la zone haute vitesse , où le couple maximum de la machine diminue avec l'augmentation de la vitesse.

On sait que les ondulations de couple dans une machine MRV sont principalement dues à un effet de non-linéarité du mécanisme de production du couple. En effet, pour une machine multiphasée, le couple total produit par la MRV est la somme des couples générés par chacune des phases du stator de la machine, ces phases étant contrôlées indépendamment l'une de l'autre. Or, les ondulations de couple sont relativement significatives aux instants de commutation d'une phase à l'autre du stator. Ce comportement est en particulier illustré sur la figure 3 où on observe que le couple chute lors de la transition d'une phase à l'autre. Pour pallier cet inconvénient, on a déjà proposé plusieurs types de solutions. En premier lieu, il est possible d'améliorer la géométrie de la machine, en jouant sur la forme des dents du stator et du rotor, sur la quantité des phases ou autres. On pourra par exemple se référer aux enseignements de EP 0 959 555. Les solutions existantes permettent de réduire les ondulations à moins de 15%, mais cette amélioration se fait au détriment des performances de la machine, en particulier à haute vitesse.

En second lieu, il est possible d'améliorer la commande et le contrôle de la machine. On pourra par exemple se référer aux enseignements de US 5 852 355, qui propose de moduler la forme du courant circulant dans la machine par le biais d'une modulation de largeur d'impulsion (MLI), qui est une stratégie connue en électronique de puissance pour déterminer les instants précis de commutation des transistors. Cette solution présente cependant l'inconvénient d'aboutir à des formes d'ondes plus complexes, et de nécessiter des capacités de mémoire importantes. On peut également proposer d'exciter une phase de la machine à la fin de la magnétisation de la phase précédente, pour lisser l'ondulation de couple lors d'une transition de phase à l'autre. Cette solution présente cependant l'inconvénient de nécessiter une commande complexe du convertisseur de la machine, ainsi qu'une augmentation non négligeable de la quantité de transistors nécessaires, ainsi qu'une dégradation du rendement. Un objectif de l'invention est donc de proposer un procédé de commande de la machine amélioré, permettant de réduire les ondulations de couple. Pour atteindre cet objectif, il est prévu dans le cadre de la présente invention un procédé de commande d'une machine à réluctance variable fonctionnant à basse vitesse, caractérisé en ce que, pour un couple et une vitesse de la machine, on minimise la valeur du courant de crête circulant dans la ou chaque phase celle-ci. Le procédé selon l'invention pourra en outre présenter au moins l'une des caractéristiques suivantes : - pour déterminer la valeur minimale du courant de crête I1;m dans des conditions de fonctionnement données, on déduit celle-ci d'une relation linéaire existant entre la valeur minimale du courant de crête et le couple de consigne, cette relation dépendant de la vitesse de la machine ; - on maintient constante la valeur de l'angle de fin de magnétisation d'une ou de chaque phase ; - on détermine la valeur de l'angle de fin de magnétisation en fonction uniquement de la vitesse de la machine ; compte tenu de la relation entre l'angle de conduction Op, l'angle de début de magnétisation q' d'une phase de la machine et l'angle de fin de magnétisation eoff de cette phase, à savoir Op = 9off on détermine l'angle de conduction Op par un processus itératif à partir du couple maximal Cmax de la machine et de la valeur de l'angle de fin de magnétisation ; -l'angle de conduction est inférieur à 180 électrique ; - il est mis en oeuvre à l'issue d'une période de la machine ou après un changement de couple de consigne. Pour atteindre cet objectif, il est également prévu dans le cadre de la présente invention un dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé de commande d'une machine à réluctance variable fonctionnant à basse vitesse selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend : o un capteur pour mesurer la position du rotor de la machine ; o des moyens de mémorisation dans lequel sont stockés sous formes de tables, pour une pluralité de vitesses de la machine, le lien entre le couple de consigne et le courant de crête minimal ; o des moyens de commandes de la machine connectés à l'onduleur et recevant en entrée, la valeur du courant de crête à appliquer ainsi que la position de la machine. Le dispositif selon l'invention pourra en outre présenter au moins l'une des caractéristiques suivantes : - il comprend en outre des moyens de mémorisation, recevant en entrée une mesure de la vitesse de la machine depuis le capteur, et dans lequel sont stockés sous forme de tables, le lien entre la vitesse et l'angle de fin de magnétisation, et duquel sont issus les valeurs de l'angle de conduction et de l'angle de début de magnétisation en direction des moyens de commande de la machine.

D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - La figure 1 représente une vue schématique d'une machine à réluctance variable ; - la figure 2 représente l'évolution du couple maximal d'une machine à réluctance variable en fonction de la vitesse de fonctionnement de la machine, cette évolution étant encore appelée courbe enveloppe ; - la figure 3 représente la production de couple de la machine en fonction de l'angle rotorique ; - les figures 4a et 4b représentent respectivement, les évolutions du flux généré par la machine en fonction du courant circulant dans une phase de celle-ci ; - la figure 5 représente l'évolution de l'intensité de crête minimum d'une phase prévue, en fonction d'un couple de consigne, et ce pour différentes valeurs de la vitesse de fonctionnement de la machine ; - la figure 6a représente, pour une première vitesse de fonctionnement de la machine, l'évolution du taux d'ondulation du couple de la machine en fonction de l'angle de fin de magnétisation d'une phase de celle-ci, et ce pour différentes valeurs du couple prédéterminé ; - la figure 6b représente, pour une deuxième vitesse de fonctionnement de la machine, l'évolution du taux d'ondulation du couple de la machine en fonction de l'angle de fin de magnétisation d'une phase de celle-ci, et ce pour différentes valeurs du couple prédéterminé ; - la figure 7 présente un exemple d'implantation d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; - la figure 8a représente une topologie d'onduleur pour une phase de la MRV ; - les figures 8b et 8c représentent respectivement l'évolution du courant et de la tension pour la phase de la MRV de la figure 8a, en fonction de l'angle électrique et plus précisément entre l'angle de début de magnétisation q' et l'angle de fin de magnétisation 9off de la MRV. Les paramètres qui permettent de commander la machine sont l'angle de début de magnétisation q' d'une phase de la MRV, l'angle de 30 fin de magnétisation 9off de cette phase et, dans la zone de fonctionnement à basse vitesse, la valeur du courant de crête I11m circulant dans cette phase. 10 15 20 25 Ces paramètres sont donc liés à une phase de la MRV, mais ils concernent chacune des phases de celle-ci lorsque la machine est multiphasée. La magnétisation de la machine se fait pendant l'intervalle formé par l'angle de conduction Op (encore appelé angle de magnétisation) défini par la relation Op = eoff - q'. De façon à assurer une démagnétisation complète, l'angle de conduction Op est inférieur ou égal à 180 électriques. Pour une MRV fonctionnant à basse vitesse (V V,BV ), un point de fonctionnement de celle-ci, défini par un couple maximal Cmax et par une vitesse V donnée, peut être obtenu selon une seule combinaison des paramètres q', Op, et Iiim. Les paramètres de fonctionnement de la machine sont donc parfaitement connus, à partir de la courbe enveloppe présentée sur la figure 2.

En revanche, toujours dans le mode de fonctionnement à basse vitesse, pour un couple prédéterminé Cconsigne tel que 0 < Cconsigne < Cmax, il en est autrement. En effet, pour une MRV fonctionnant à basse vitesse, un point de fonctionnement de celle-ci, défini par un couple prédéterminé Cconsigne et par une vitesse V donnée, peut être obtenu selon plusieurs (une infinité en fait) combinaisons possibles des paramètres q', Op, et Iiim. Mais, toutes ces combinaisons ne sont pas égales ni optimales pour minimiser les ondulations de couple de la MRV 1. Dans le cadre de l'invention, les ondulations de couple sont d'autant plus importantes que la valeur du courant de crête I1im passant dans une phase de la MRV est importante. Il faut donc minimiser la valeur du courant de crête Iiim. Mais, pour une vitesse de fonctionnement donnée V de la MRV, cette minimisation ne doit pas se faire au détriment de la consigne de couple Cconsigne. C'est pourquoi il est nécessaire que le trajet du flux 4 généré par la MRV se rapproche au plus près des courbes extrêmes de flux (obtenues avec des dents en conjonction et opposition), la surface parcourue lors de ce trajet étant, de manière connue, proportionnelle au couple produit par la MRV 1. Les figures 4a et 4b représentent deux co-énergies, pour deux triplets (IF, Op, Iiim) différents d'une même MRV, impliquant pour une même vitesse de la MRV, un couple identique. En adaptant la co-énergie de la MRV au plus près des courbes extrêmes de flux (représentées en pointillés), on minimise ainsi le courant de crête d'une phase Iiim, tel que cela est représenté sur la figure 4a. En revanche, sur la figure 4b, la co-énergie n'est pas optimisée, ce qui implique une valeur de Iiim plus importante que sur la figure 4a. Cette étape de minimisation du courant de crête Iiim est effectuée pour une pluralité de couples de consigne (toujours inférieurs à Cmax), et pour une pluralité de vitesses (dans la zone basse vitesse). Le résultat est fourni sur la figure 5. Sur cette figure 5, on illustre en effet la relation entre le couple et le courant de crête d'une phase Iiim minimum, pour différentes valeurs de la vitesse de la MRV (vitesse de rotation de la MRV exprimée en tr/mn). Ces courbes permettent donc, une fois choisi le point de fonctionnement (V, Cconsigne) de la MRV, d'en déduire la valeur du courant de crête minimum à choisir. On minimise donc la fonction Iiim = f(Cconsigner V)• Une fois V fixé, la relation fournie par la fonction f entre le courant de phase limite minimisé Iiim et le couple de consigne Cconsigne est une droite (relation linéaire). Selon une variante, on peut encore améliorer le dispositif existant, c'est-à-dire réduire un peu plus encore les ondulations de couple d'une MRV, pour laquelle le courant de crête d'une phase Iiim minimisé pour un point de fonctionnement donné de la MRV. Pour cela, il est alors nécessaire d'effectuer un choix judicieux des paramètres IF et Op.

Par une série de tests propres à l'invention, on a constaté que, pour une vitesse de fonctionnement donnée, il fallait maintenir 9off = Y + Op constant pour minimiser encore les ondulations de couple. Ces tests sont en partie présentés sur les figures 6a et 6b.

Celles-ci présentent en effet, l'évolution du taux d'ondulation de couple en fonction de l'angle de fin de magnétisation d'une phase 9off, respectivement pour deux vitesses différentes (toujours dans la zone de basse vitesse de la MRV). Or, ces tests mènent à la conclusion, a priori non évidente, que la détermination du paramètre 9off ne dépend en fait que de la vitesse de la MRV, et donc pas du couple demandé pour ce point de fonctionnement. En effet, pour une vitesse donnée, le paramètre 9off est constant quel que soit le couple, cf. figures 6a et 6b. La solution proposée présente l'avantage de laisser une liberté de choix quant aux paramètres `I', Op dans la mesure où leur somme 9off reste constante, pour permettre une réduction des ondulations de couple. Du coup, cela permet d'assurer une monotonie de ces paramètres afin de faciliter leur implantation dans des moyens de commande/contrôle numériques.

Quel que soit le mode de réalisation envisagé, le fait de choisir un courant de crête I1;m minimal a pour conséquence de réduire les pertes par effet Joule dans la MRV. Ainsi, même si les pertes liées à la commutation des onduleurs associés aux différentes phases de la MRV augmentent en raison de l'augmentation de la durée de conduction (c'est-à-dire augmentation de l'angle de conduction), ces pertes sont compensées par la diminution des pertes par effet Joule, de sorte que le rendement global de la MRV n'est que peu voire pas dégradé. La figure 7 représente un dispositif possible de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, dans lequel, on optimise l'ensemble des paramètres `P, Op, et I11m. Il concerne donc la variante au procédé présenté ci-dessus.

A l'issue d'une période de la machine ou après un changement du couple de consigne, on détermine la valeur I1;m à partir d'une table contenue dans un moyen de mémoire 4 et obtenue à partir des courbes établies pour différentes basses vitesses (cf. figure 5) fournissant l'évolution de l'intensité de crête d'une phase I1;m minimisée, en fonction du couple de consigne. Le couple de consigne forme donc une entrée du moyen de mémoire 4. La mesure de la vitesse par un capteur de position/vitesse 5, permet quant à lui de connaître l'angle de fin de magnétisation 9off, compte tenu de la relation 9off = g(V) mise sous forme de table dans un moyen de mémoire 6. En fonction de cela, les valeurs de q', Op sont fournies en sortie du moyen de mémoire 6. En général, on cherchera tout simplement, en mettant en oeuvre un processus itératif à partir de Cmax et de l'angle de fin de magnétisation 9off, à converger vers une valeur de Op adéquate. Les valeurs q', Op peuvent toutefois être choisies le cas échéant en fonction d'autres contraintes de la machine. Les données q', Op et I11m sont ainsi toutes introduites dans un moyen de commande 7 qui gère le fonctionnement de la MRV 1.

Le capteur 5 permet également de fournir la position de la MRV 1 (position rotor/stator) au moyen de commande 7 de celle-ci. Les sorties de phase de la MRV 1 sont dirigées vers un onduleur 8 connecté au moyen de commande 8. De manière connue, des grandeurs électriques en sortie de la MRV 1 sont également fournies au moyen de commande 7 de la MRV 1. Une topologie d'onduleur 81 pour une phase de la MRV 1 et permettant la mise en oeuvre des commandes issues du moyen de commande 7, est par exemple présentée sur la figure 8a. Sur cette figure, on reconnaît le bobinage statorique 32, se trouvant sous une tension de phase et dans lequel circule le courant de phase, dont la valeur de crête est le courant I11m. L'ensemble fournit une tension Vf connue et gérée par le moyen de commande 7. Des précisions sont apportées par les figures 8b et 8c qui présentent respectivement l'évolution de l'intensité et de la tension, en fonction de l'angle électrique, pour une phase de la MRV. Bien entendu, on comprend qu'un dispositif analogue dans lequel on ne jouerait que sur le paramètre I1;m pourrait être prévu.5

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de commande d'une machine à réluctance variable (1) fonctionnant à basse vitesse, caractérisé en ce que, pour un couple de consigne et une vitesse donnée de la machine, on minimise la valeur du courant de crête (Iiim) circulant dans la ou chaque phase celle-ci.

2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, pour déterminer la valeur minimale du courant de crête (Iiim) dans des conditions de fonctionnement données, on déduit celle-ci d'une relation linéaire existant entre la valeur minimale du courant de crête (Iiim) et le couple de consigne, cette relation dépendant de la vitesse de la machine.

3. Procédé de commande selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on maintient constante la valeur de l'angle (9off) de fin de magnétisation d'une ou de chaque phase.

4. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on détermine la valeur de l'angle (9off) de fin de magnétisation en fonction uniquement de la vitesse de la machine.

5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que, compte tenu de la relation entre l'angle de conduction (Op), l'angle de début de magnétisation (IF) d'une phase de la machine et l'angle de fin de magnétisation (0off) de cette phase, à savoir Op = 0off - , on détermine l'angle de conduction (Op) par un processus itératif à partir du couple maximal (Cmax) de la machine et de la valeur de l'angle (0off) de fin de magnétisation.

6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'angle de conduction Op est inférieur à 180 électriques.

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre à l'issue d'une période de la machine ou après un changement de couple de consigne.

8. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé de commande d'une machine à réluctance variable fonctionnant à basse vitesse selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend : - un capteur (5) pour mesurer la position du rotor de la machine ; - des moyens de mémorisation (4) dans lequel sont stockés sous formes de tables, pour une pluralité de vitesses de la machine, le lien entre le couple de consigne et le courant de crête (Iiim) minimal ; - des moyens de commandes (7) de la machine connectés à l'onduleur (8) et recevant en entrée, la valeur du courant de crête (Iiim) à appliquer ainsi que la position de la machine.

9. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de mémorisation (6), recevant en entrée une mesure de la vitesse de la machine depuis le capteur (5), et dans lequel sont stockés sous forme de tables, le lien entre la vitesse et l'angle de fin de magnétisation (0off), et duquel sont issus les valeurs de l'angle de conduction (Op) et de l'angle de début de magnétisation (IF) en direction des moyens de commande (7) de la machine.