FR2974465A1

FR2974465A1 - Procede de detection d'une position angulaire d'un rotor de machine synchrone ; application a la mise en position et au maintien en position d'un rotor de machine synchrone, et a la commande d'un rotor de machine synchrone ; et dispositifs correspondants

Info

Publication number: FR2974465A1
Application number: FR1153508A
Authority: FR
Inventors: Alois Zgorski; Shi Xuefang Lin; Frederic Abry
Original assignee: Sagem Defense Securite SA
Current assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2012-10-26
Anticipated expiration: 2031-04-22
Also published as: FR2974465B1; WO2012143458A1

Abstract

Le procédé de détection d'une position angulaire estimée ( ) d'un rotor (2) de machine synchrone (1) par rapport à un stator triphasé (3) comporte les étapes de: - générer un signal de tension sinusoïdale de détection ayant une fréquence inférieure à une fréquence électrique de la machine synchrone, - appliquer le signal de tension de détection à une entrée d d'un transformateur de repère (6) d'un repère d, q dans un repère α, β, - alimenter le stator (3) de la machine synchrone en fonction d'un signal de tension de détection dans le repère α, β, - recueillir des signaux de courant (Ia-Ic) produits par le stator dans un repère a,b,c, et les transformer pour obtenir des signaux de courant dans le repère α, β , et , - traiter comparativement les signaux de courant obtenus et le signal de tension de détection au moyen d'un observateur (11) configuré à partir d'un modèle incorporant le signal sinusoïdal de détection.

Description

1 La présente invention concerne un procédé de détection d'une position angulaire d'un rotor de machine synchrone par rapport à un stator triphasé; un procédé de mise en position et de maintien en position selon une position angulaire d'un rotor de machine synchrone ; un procédé de commande d'un entraînement en rotation continue d'une machine synchrone; et les dispositifs correspondants. ARRIÈRE-PLAN DE L'INVENTION On sait qu'en raison de ses caractéristiques spécifiques de fonctionnement une machine synchrone est utilisée dans de nombreuses applications, en particulier pour la mise en position et le maintien en position d'un organe associé au rotor de la machine synchrone, ou pour l'entraînement en rotation d'un organe associé au rotor d'une machine synchrone, par exemple pour régler la position d'un volet sur une aile d'avion. Pour mettre en oeuvre une machine synchrone il est nécessaire de connaître la position du rotor par rapport au stator.

Pour déterminer la position angulaire du rotor on a tout d'abord utilisé des capteurs de position externes à la machine synchrone montés en regard du rotor. Cette solution conduit toutefois à une diminution de la fiabilité et à une augmentation de l'encombrement, du poids et du coût du système commandé. Lorsque la machine synchrone est en rotation, elle développe une force électromotrice variable selon la position du rotor de sorte que l'analyse de la force électromotrice permet de déterminer à tout instant la position du rotor. Toutefois dans le cas où la force électromotrice est faible il n'est pas possible d'assurer une détection de la position du rotor. C'est le cas en particulier lorsqu'une machine synchrone à pôles lisses est à l'arrêt. 2 Enfin, Lorsque la machine synchrone est équipée d'un rotor à pôles saillants, il est possible de déterminer la position du rotor au moyen de méthodes utilisant les singularités liées à la présence des pôles saillants. Ces méthodes ne sont pas applicables aux rotors à pôles lisses. OBJET DE L'INVENTION Un but de l'invention est de proposer un procédé de détection d'une position angulaire d'un rotor de machine synchrone sans utilisation d'un capteur de position externe à la machine et applicable aussi bien aux rotors à pôles lisses qu'aux rotors à pôles saillants. BRÈVE DESCRIPTION DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose selon l'invention un procédé de détection d'une position angulaire estimée d'un rotor de machine synchrone par rapport à un stator triphasé comportant les étapes de: - générer un signal de tension sinusoïdale de détection, - appliquer le signal de tension de détection à une entrée d d'un transformateur de repère d'un repère d,q dans un repère a,(3, - alimenter le stator de la machine synchrone en fonction d'un signal de tension de détection dans le repère a, R, - recueillir des signaux de courant produits dans le stator dans un repère a,b,c, et les transformer pour obtenir des signaux de courant dans le repère a,p,et, - traiter comparativement les signaux de courant obtenus et le signal de tension de détection, au moyen d'un observateur configuré à partir d'un modèle incorporant le signal sinusoïdal de détection. Ainsi, compte tenu de la modulation du signal de détection par le champ magnétique du rotor, le traitement comparatif du signal en sortie du stator et du signal de 3 détection initial est représentatif de la position angulaire estimée du rotor par rapport au stator. De préférence, le traitement comparatif de signaux est effectué entre d'une part le signal de tension de détection dans le repère d,q, et d'autre part les signaux de courant de détection dans le repère a,R. Ainsi, on détecte la position angulaire du rotor avec une meilleure précision. Le procédé de détection selon l'invention peut être mis en oeuvre pour la mise en position et le maintien en position d'un rotor de machine synchrone à pôles saillants ou à pôles lisses selon une position angulaire de consigne, par exemple pour le maintien selon une inclinaison d'un volet actionné directement ou indirectement par le rotor de la machine synchrone. À cet effet l'invention concerne un procédé de mise en position et de maintien en position selon une position angulaire de consigne d'un rotor de machine synchrone associé à un stator triphasé comportant les étapes de : a) détecter une position angulaire estimée du rotor par application du procédé de détection selon l'invention, b) calculer un écart entre la position angulaire estimée et la position angulaire de consigne, et en déduire un signal de tension de correction, c) appliquer le signal de tension de correction à une entrée g du transformateur de repère du repère d,q dans le repère a,R, tout en maintenant le signal de tension de détection appliqué à l'entrée d de ce transformateur, d) alimenter le stator de la machine synchrone en fonction du signal de tension de correction et du signal de tension de détection dans le repère a,R, e) recueillir les signaux de courant produits par le stator dans un repère a,b,c, et les transformer dans le repère a,R,et, f) traiter comparativement les signaux de courant 4 obtenus et le signal de tension de détection au moyen d'un observateur configuré à partir d'un modèle incorporant le signal sinusoïdal de détection, g) en déduire une nouvelle position angulaire estimée du rotor et réitérer le procédé à compter de l'étape b). Selon une application traditionnelle connue en soi, la détection d'une position angulaire du rotor de la machine synchrone peut également être utilisée pour la commande de la rotation d'un rotor de machine synchrone. À cet effet, l'invention concerne également un procédé de commande d'un entraînement en rotation continue, c'est-à-dire sur plusieurs tours, d'une machine synchrone comportant les étapes de: - détecter une position angulaire estimée du rotor par application du procédé selon l'invention, - élaborer des signaux de commande de rotation continue du rotor de la machine synchrone tenant compte de la position angulaire estimée du rotor, - appliquer les signaux de commande de rotation continue au stator de la machine synchrone tout en superposant le signal de tension de détection. L'invention concerne également des dispositifs permettant la mise en oeuvre des procédés selon l'invention.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de description qui suit de trois modes de réalisation particuliers non limitatifs de dispositifs selon l'invention, en référence aux figures ci- jointes parmi lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation de l'invention comprenant un dispositif de détection d'une position angulaire d'un rotor de machine synchrone, incorporé à un dispositif de mise en position et de maintien selon une position angulaire ou d'entrainement en rotation continue d'un rotor de machine synchrone, - La figure 2 est une représentation schématique d'un second mode de réalisation de l'invention, et 5 - la figure 3 illustre une variante de réalisation du dispositif de la figure 1. DESCRIPTION DETAILLÉE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, l'invention va maintenant être décrite en relation avec une machine synchrone 1 comprenant un rotor 2 à pôles lisses à aimants permanents associé à un stator triphasé 3. Selon un premier aspect de l'invention, celle-ci concerne un dispositif de détection de la position angulaire du rotor 2 de la machine synchrone 1. Sur les figures ce dispositif de détection est délimité par un trait mixte 4. Selon le mode de réalisation préféré illustré, ce dispositif de détection de position angulaire du rotor comporte un générateur de tension de détection 5 fournissant un signal de tension sinusoïdale. Par référence à la désignation habituelle des repères, le signal de tension de détection est appliqué à l'entrée d d'un transformateur de repère du repère d,q (repère mobile lié au rotor), au repère a,R (repère lié au stator), ici un transformateur de Park qui reçoit également en entrée un signal 6 représentatif de la position angulaire estimée du rotor 2. La sortie du transformateur de Park 6 est reliée à un modulateur de largeur d'impulsions 7 servant à commander un onduleur 8 qui génère des courants d'alimentation pour le stator 3. Ces courants sont modulés par le champ magnétique du rotor 2. Le courant circulant dans les bobinages du stator 3 est mesuré par une boucle 9 qui fournit une mesure des courants dans un repère triphasé a,b,c. Les signaux de courant ainsi recueillis sont transmis à un transformateur 6 de Concordia ou de Clark 10 du repère a, b, c au repère a,. La sortie du transformateur de Concordia ou de Clark 10 est reliée à un observateur 11, ici un filtre de Kalman étendu configuré à partir d'équations de fonctionnement du moteur synchrone incorporant la tension sinusoïdale de détection. Le filtre de Kalman 11 reçoit également en entrée la composante q de la tension d'entrée du transformateur de Park 6. À la sortie du filtre de Kalman 11 on recueille un signal B représentatif de la position angulaire estimée du rotor. On recueille également un signal représentatif de la vitesse de rotation estimée we du rotor. De façon connue en soi, le filtre de Kalman fonctionne selon un algorithme donné par les équations : 1 . xk =F'xk 1++B uk 2. Pk = Fk-1 Pk I+ . Fk-1T +Qk-1 3. Kk =Pk -CT -[C-Pk -CT +Rk]-1 4. 2k+ = Kk I.2k + Kk . Yk 5. Pk+=(1-Kk-C)-Pi- Dans lesquelles F,B, et C sont des matrices calculées de façon connue en soi à partir des équations de fonctionnement du moteur synchrone. Selon l'invention les équations servant au calcul des matrices de Kalman incorporent la tension sinusoïdale de détection. Dans le premier mode de mise en oeuvre de l'invention les équations prises en compte sont celles du fonctionnement dans le repère d,q, avec adjonction d'une tension sinusoïdale de détection, d'amplitude Ai et de pulsation w; comprise dans la bande passante de l'onduleur 8, à savoir : Vd.cos(9)-Vdsin(9)+Ai.cos(w;.t).cos(Ô) =Rs. la+Ls . dIa/dt- we . q5 f .sin (e ) et Vd.sin(9)+Vq.cos(9)+Ai.cos(w1 .t) .sin(9) =Rs. Ip+Ls . dIp/dt+ we . çf . cos (8) 7 dans lesquelles e est la valeur estimée de la position angulaire tandis que 0 est la valeur réelle de la position angulaire. En pratique cette distinction ne change rien au calcul des matrices de Kalman. w est la pulsation de la tension de détection injectée tandis que co, est la pulsation du signal à l'entrée du moteur. Par ailleurs le dispositif comporte un transformateur de Park inverse 15 qui reçoit en entrée le signal B représentatif de la position angulaire estimée du rotor 2, et les signaux la et Ip prélevés en sortie du transformateur de Concordia ou de Clark 10. À la sortie du transformateur de Park inverse 13 on obtient les composantes de courant Id et Iq dans le repère d,q. La figure 1 illustre également une application du dispositif de détection de position angulaire selon l'invention pour une mise en position et un maintien en position selon une position angulaire du rotor de la machine synchrone, ou pour la mise en rotation continue du moteur synchrone. Pour la mise en oeuvre de cette application le dispositif comporte un contrôleur de position 12 comprenant un sommateur ayant une entrée directe recevant un signal e# représentatif d'une position angulaire de consigne du rotor 2, et une entrée inverseuse recevant le signal 0 représentatif de la position angulaire estimée du rotor 2. Le sommateur détermine un écart D0 entre la position angulaire estimée et la position angulaire de consigne. La sortie du sommateur est reliée à un correcteur proportionnel intégral qui fournit en sortie du contrôleur de position 12 un signal de consigne de vitesse w# appliqué à l'entrée directe d'un contrôleur de vitesse 13 qui reçoit en outre sur une entrée inverseuse le signal de vitesse estimée we.Le contrôleur de vitesse 13 comporte en outre un correcteur proportionnel intégral qui fournit en sortie du contrôleur de vitesse 13 un signal de consigne de composante de courant Iq# appliqué à l'entrée directe d'un contrôleur de courant 14 qui reçoit en outre sur une entrée inverseuse le signal de courant Iq . Le contrôleur de vitesse 13 comporte également un correcteur proportionnel intégral qui fournit en sortie du contrôleur de courant 14 un signal de tension de correction qui est appliqué à l'entrée q du transformateur de Park 6. Ce signal de tension de correction génère, par le biais du modulateur de largeur d'impulsions 7 et de l'onduleur 8 un signal de commande de rotation ponctuelle du rotor 2. La nouvelle position du rotor 2 est donc détectée et traitée à nouveau par le dispositif de sorte que la position finale du rotor 2 est asservie sur la position de consigne e#. Lorsque le dispositif est utilisé pour une mise en rotation continue, la consigne de position est variable en fonction de la vitesse de rotation souhaitée. Au démarrage, tant pour une mise en position que pour une mise en rotation continue, le générateur de tension de détection 6 émet de préférence une série d'impulsions qui permettent d'obtenir très rapidement une première estimation de la position du rotor. Cette première estimation est peu précise mais permet d'obtenir une convergence plus rapide de la détection de position. La figure 2 illustre un second mode de réalisation du dispositif de détection selon l'invention. Sur la figure 2 les composants identiques à ceux du premier mode de réalisation portent les mêmes références numériques. Dans ce mode de réalisation le dispositif de détection comporte un transformateur de Park 16 supplémentaire ayant une première entrée reliée à l'entrée q du transformateur de Park 6, et une seconde entée recevant l'estimation de position O. En sortie le transformateur de Park 16 délivre alors les composantes de tension V'a et V'p dans repère a,(3. 9 Dans ce cas le filtre de Kalman 11 est configuré à partir des équations de fonctionnement suivantes, connues en soi : Va+Ai. cos ( a), . t) .cos(0)=R,.Ia+Ls.dIj/dt-we .Of.sin(a) et Vp+Ai.cos(w; .t) .sin()=Rs.Ip+LS.dIp/dt+we .Of.cos (0) La figure 3 illustre une variante de réalisation du dispositif de la figure 1 dans lequel un contrôleur 17 de la composante d du courant a été ajouté pour effectuer une comparaison entre la composante de courant Id fournie par le transformateur de Park inverse 15 et une consigne de courant Id# pour fournir en sortie un signal de tension de correction qui est ajouté par un sommateur 18 au signal de tension de détection.

Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications. En particulier bien que l'invention ait été décrite en relation avec une machine synchrone à aimants permanents et pôles lisses, l'invention peut être mise en oeuvre avec une machine synchrone ayant des pôles saillants. Bien que dans les modes de réalisation illustrés les signaux d'entrée du filtre de Kalman soient prélevés en entrée du transformateur de Park 6, ce qui donne la meilleure précision pour la détermination de l'angle 9 , ces signaux peuvent également être prélevés en sortie du transformateur de Park 6. Lorsque le dispositif est destiné à assurer seulement une fonction une mise en position et un maintien en position selon une position angulaire du rotor de la machine synchrone, par exemple pour maintenir dans une position fixe un volet monté sur une aile d'avion, le dispositif peut être simplifié en supprimant le contrôleur de vitesse 13, et le cas échéant, le contrôleur de courant 10 14. Dans ce cas le contrôleur de position 12 est configuré pour délivrer directement la composante de tension de correction appliquée à l'entrée q du transformateur de Park 6.

Lorsque le dispositif est destiné à assurer seulement une fonction une mise en rotation continue le dispositif peut être simplifié en supprimant le contrôleur de position 12 tout en continuant à calculer la position angulaire estimée, et le cas échéant, le contrôleur de courant 14.

Dans ce cas le contrôleur de vitesse 13 est configuré pour délivrer directement la composante de tension de correction appliquée à l'entrée q du transformateur de Park 6. Il est possible d'utiliser un autre observateur que le filtre de Kalman et par exemple un observateur à modes glissants.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de détection d'une position angulaire estimée (Ô) d'un rotor (2) de machine synchrone (1) par rapport à un stator triphasé (3) caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de: - générer un signal de tension sinusoïdale de détection, - appliquer le signal de tension de détection à une entrée d d'un transformateur de repère (6) d'un repère d,q dans un repère a,3, - alimenter le stator (3) de la machine synchrone en fonction d'un signal de tension de détection dans le repère a,R, - recueillir des signaux de courant (Ia-Ic) produits dans le stator dans un repère a,b,c, et les transformer pour obtenir des signaux de courant dans le repère a,R,et, - traiter comparativement les signaux de courant obtenus et le signal de tension de détection, au moyen d'un observateur (11) configuré à partir d'un modèle incorporant le signal sinusoïdal de détection.
2. Procédé de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape préalable d'effectuer une estimation préliminaire de la position angulaire du rotor en remplaçant le signal de tension sinusoïdal par un signal à impulsions.
3. Procédé de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement comparatif de signaux est effectué entre d'une part le signal de tension de détection dans le repère d,q, et d'autre part les signaux de courant dans le repère a,3.
4. Procédé de mise en position et de maintien en position selon une position angulaire de consigne (e#) d'un rotor (2) de machine synchrone associé à un stator triphasé 12 (3) caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de: a) détecter une position angulaire estimée (B) du rotor par application du procédé selon la revendication 1, b) calculer un écart (09) entre la position angulaire estimée (Ô) et la position angulaire de consigne (9#), et en déduire un signal de tension de correction, c) appliquer le signal de tension de correction à une entrée g du transformateur de repère (6) du repère d, q dans le repère OE,p, tout en maintenant le signal de tension de détection appliqué à l'entrée d de ce transformateur de repère, d) alimenter (7,8) le stator (3) de la machine synchrone en fonction du signal de tension de correction et du signal de tension de détection dans le repère OE,R, e) recueillir les signaux de courant produits par le stator dans un repère a,b,c, et effectuer une transformée de repère dans le repère a,j3,et, f) traiter comparativement les signaux de courant transformés et le signal de tension de détection au moyen d'un observateur configuré à partir d'un modèle incorporant le signal sinusoïdal de détection, g) en déduire une nouvelle position angulaire estimée (9) du rotor et réitérer le procédé à compter de l'étape b).
5. Procédé de commande d'un entraînement en rotation continue d'une machine synchrone caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de: - détecter une position angulaire estimée (6) du rotor par application du procédé selon la revendication 1, - élaborer des signaux de commande de rotation continue du rotor de la machine synchrone tenant compte de la position angulaire (B) du rotor, - appliquer les signaux de commande de rotation continue au stator (3) de la machine synchrone tout ensuperposant le signal de tension de détection.
6. Dispositif de détection d'une position angulaire d'un rotor de machine synchrone associé à un stator triphasé caractérisé en ce qu'il comporte: - un générateur (5) d'un signal de tension sinusoïdale de détection, - un transformateur de repère (6) d'un repère d,q dans un repère a,(3, ayant un entrée d reliée à une sortie du générateur (5) de signal de tension sinusoïdale de détection, - un dispositif d'alimentation (7,8) du stator (3) de la machine synchrone relié à la sortie du transformateur de repère (6) du repère d,q dans le repère a, R, - un organe (9) de mesure de courants dans le stator (3) - un transformateur de repère (10) d'un repère a,b,c dans le repère a,3, relié à l'organe de mesure de courants, - un observateur (11) de signaux relié au transformateur de repère du repère a,b,c dans le repère a,F3 d'une part, et au générateur (5) d'un signal de tension sinusoïdale de détection d'autre part.
7. Dispositif de mise en position et de maintien en position selon une position angulaire de consigne (0#) d'un rotor (2) de machine synchrone associé à un stator triphasé (3) caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de détection (4) selon la revendication 6 ayant une sortie fournissant un signal représentatif de la position angulaire estimée (B) du rotor relié à une entrée inverseuse d'un contrôleur de position angulaire (12) ayant une entrée directe recevant une consigne de position angulaire (0#), et ayant une sortie reliée directement ou indirectement à une entrée q du transformateur de repère (6) du dispositif de détection (4) de position angulaire. 14
8. Dispositif de commande d'un entraînement en rotation d'une machine synchrone caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de détection (4) selon la revendication 6 ayant une sortie fournissant un signal représentatif d'une vitesse estimée (CVe) du rotor reliée à une entrée d'un contrôleur de vitesse (13) ayant une sortie reliée directement ou indirectement à une entrée q du transformateur de repère (6) du repère d, q dans le repère a,3.
9. Dispositif combinant un dispositif de mise en position et de maintien en position selon une position angulaire de consigne selon la revendication 7 et un dispositif de commande d'un entraînement en rotation selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte un contrôleur de position (12) et un contrôleur de vitesse (13) montés en série.
10. Dispositif selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il comporte un contrôleur de courant (14) monté en série avec le contrôleur de position et le contrôleur de vitesse.