FR2991525A1 - Procede de commande du couple electromagnetique d'une machine synchrone a haute vitesse - Google Patents

Procede de commande du couple electromagnetique d'une machine synchrone a haute vitesse Download PDF

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Procédé de commande du couple électromagnétique d'une machine synchrone triphasée à aimants permanents, comprenant la mesure du courant délivré sur les trois phases de la machine, une transposition des trois courants mesurés en une composante directe (Id) et une composante quadratique (I ) de courant à partir de la transformée de Park, la réception d'une consigne (I ) pour la composante quadratique (I ) de courant. Lorsque la composante directe (Id) du courant est négative, on active un mode de commande en défluxage dans lequel on commande la machine à partir d'une composante directe (Ud) et d'une composante quadratique (U ) de tension de ladite machine, la composante directe (U ) et la composante quadratique (U ) de tension étant déterminées dans le plan de Park.

Description

Procédé de commande du couple électromagnétique d'une machine synchrone à haute vitesse. L'invention concerne un procédé de commande du couple électromagnétique d'un moteur synchrone triphasé à aimants permanents, et plus particulièrement la commande du couple lorsque les tensions saturent. Dans un véhicule automobile à traction électrique, le couple fourni par un moteur électrique doit être contrôlé. Le couple d'une machine électrique étant directement lié aux courants circulant dans celle-ci, ces courants doivent être commandés de façon précise. Dans une machine synchrone, notamment une machine synchrone triphasée à aimants permanents et à flux axial, les courants dans les trois phases du stator sont sinusoïdaux et déphasés chacun de 3 rad . Ces courants créent un champ magnétique tournant dans la machine électrique. Le rotor est composé d'aimants permanents, par exemple entre 1 et 5 paires de pôles. Comme une boussole, le rotor s'aligne naturellement sur le champ magnétique tournant créé par le rotor. Ainsi, la fréquence de rotation du rotor est égale à la fréquence des courants du stator (synchrone). Ce sont les amplitudes des courants du stator et la puissance des aimants du rotor qui créent le couple nécessaire à la rotation de la machine. Pour commander ces courants, il faut donc appliquer à chaque phase du stator des tensions sinusoïdales déphasées de 23 rad chacune également.
Généralement, il est plus simple d'appliquer une régulation sur des constantes que sur des signaux sinusoïdaux. La transformée de Park est généralement utilisée pour projeter un système triphasé sur un espace bidimensionnel pour se retrouver dans un repère tournant équivalent. Il est ainsi possible de transposer les trois courants et les trois tensions sinusoïdales du stator relatives aux trois phases d'un système triphasé dans un espace où les trois signaux sinusoïdaux de courant ou de tension s'expriment sous la forme de deux signaux constants de courant ou de tension (une composante sur l'axe direct Xd et une composante sur l'axe en quadrature Xq). Pour cela, le repère de Park s' appui sur un repère lié au champ tournant, soit dans le cas de la machine synchrone à un repère lié au rotor. En travaillant avec des courants et des tensions exprimées dans l'espace de Park, il est ainsi possible d'agir sur des courants ou des tensions constantes plutôt que des signaux sinusoïdaux pour réguler la machine triphasée à commander. En faisant la transformée inverse, il est possible de se ramener au repère normal de la machine et donc de savoir exactement quelles tensions ou quels courants appliquer sur chaque phase de la machine. L'utilisation d'une batterie comme alimentation de la machine électrique triphasée impose des contraintes supplémentaires en ce que les tensions applicables sont limitées par les capacités de la batterie. Il n'est en effet pas possible d'atteindre certaines consignes à cause de ces limitations. Une consigne en dehors de l'espace atteignable est souvent génératrice d'instabilité. L'objectif est d'assurer la stabilité des courants dans la machine lors de sa régulation malgré les limitations en tension. Si, avec ces contraintes, les consignes sont inatteignables alors l'objectif est de se rapprocher au maximum de la consigne dans la mesure du possible. Le document US 3 851 234 décrit une méthode pour éviter la saturation magnétique en réduisant la vitesse du moteur fournissant le couple.
Le document US 5 015 937 décrit un procédé de commande d'une machine synchrone à rotor bobiné en boucle ouverte avec des tables de données pour éviter la saturation. Le document US 6 181 091 décrit un procédé de commande d'une machine synchrone à aimants permanents dans laquelle la saturation est évitée en modifiant le fonctionnement du module de modulation de largeur de phase assurant les tensions sur chaque branche du moteur. Dans ces procédés de commande connus, le couple électromagnétique accessible par la machine synchrone est réduit afin d'éviter la saturation en tension, notamment en commandant directement une composante de courant dans l'espace de Park. En effet, usuellement, pour permettre de garder le contrôle de la composante quadratique de courant, est calculée une cartographie de la composante directe du courant correspondante pour pouvoir atteindre la consigne pour la composante quadratique. Cette méthode présente le désavantage de devoir faire une campagne de mise au point des cartographies des courants. De plus, rien ne permet d'assurer l'obtention de courants optimaux pour un couple électromagnétique donné. En effet, avec cette méthode de cartographie, pour s'assurer de ne pas entrer dans des conditions de saturation de tension, une marge de sécurité est prévu sur la valeur de la composante directe de courant, c'est-à-dire que la composante directe de courante est diminuée plus que nécessaire afin de ne pas risquer de voir des saturations en commande du système au détriment du rendement de la machine. Une telle réduction de la composante directe du courant implique une réduction des tensions et donc une diminution du couple électromagnétique accessible. L'invention se propose de fournir un procédé de commande du couple électromagnétique d'une machine synchrone à aimants permanents permettant d'assurer la stabilité des courants dans la machine synchrone alors que celle-ci fonctionne à haute vitesse avec des tensions saturées. Selon un aspect de l'invention, il est proposé dans un mode de mise en oeuvre, un procédé de commande du couple électromagnétique d'une machine synchrone triphasée à aimants permanents, comprenant la mesure du courant délivré sur les trois phases de la machine, une transposition des trois courants mesurés en une composante directe et une composante quadratique de courant à partir d'une transformée des systèmes triphasés, la réception d'une consigne pour la composante quadratique de courant. Selon une caractéristique de l'invention, lorsque la composante directe du courant est négative, on active un mode de commande en défluxage dans lequel on commande la machine à partir d'une composante directe et d'une composante quadratique de tension de ladite machine, la composante directe et la composante quadratique de tension étant déterminées dans le plan lié à la transformée des systèmes triphasés.
La transformée des systèmes triphasés peut être une transformée de Park. Elle peut également être une transformée de Fortescue, une transformée de Clarke, ou une transformée de Ku. Dans l'espace de Park, le système à commander comprend une composante directe et une composante quadratique de tensions appliquées sur les deux axes du plan de Park (axe directe et axe en quadrature) de la machine synchrone, les deux composantes de tension s'exprimant en fonction de la composante directe et de la composante quadratique du courant de la machine synchrone ; les deux composantes de courant s'appliquant sur les deux axes du plan de Park. Lorsque le rotor de la machine synchrone fonctionne à haute vitesse, la composante directe de courant possède une valeur négative et engendre des pertes si elle n'est pas compensée. Le mode de commande en défluxage permet de compenser le terme dû au flux magnétique des aimants permanents qui est proportionnel à la vitesse de rotation du rotor, le flux des aimants étant constant, et qui devient donc non négligeable à haute vitesse. Le terme dû au flux magnétique, nommé également force électromagnétique de la machine, introduit des perturbations à compenser. La commande en tension de la machine synchrone à haute vitesse permet ainsi de compenser toujours au maximum la perturbation due au flux magnétique. Avantageusement, lorsque la composante directe du courant redevient positive ou nulle, on sort du mode de commande en défluxage.
La machine synchrone possède avantageusement une symétrie parfaite entre l'axe direct et l'axe en quadrature du plan de la transformée des systèmes triphasés permettant d'obtenir l'égalité entre les inductances équivalentes sur chaque axe du plan de la transformée des systèmes triphasés.
De préférence, la composante directe et la composante quadratique de tension de commande de la machine synchrone dépendent d'un même paramètre de commande déterminé de manière à maintenir une valeur de la composante directe de courant proche de zéro et permettant de compenser le terme dû au flux magnétique des aimants permanents. Lorsque la composante directe de courant possède une valeur négative, cette composante représente des pertes pour la machine. Il faut donc maintenir une valeur pour cette composante directe de courant la plus faible possible pour réduire au maximum les pertes, tout en conservant ladite valeur de cette composante directe de courant suffisante pour compenser la force électromagnétique correspondant au terme dû au flux magnétique généré par les aimants permanents du rotor.
La composante directe et la composante quadratique de tension de commande sont préférentiellement proportionnelles à une même amplitude maximale, et dépendent sinusoïdalement du paramètre de commande (0), le paramètre de commande (0) variant dans un intervalle I- 2 2~ Selon un autre aspect, il est proposé dans un mode de réalisation, un système de commande du couple électromagnétique d'une machine synchrone triphasée à aimants permanents, comprenant des moyens de mesure du courant délivré sur les trois phases de la machine, des moyens de transposition aptes à transposer les trois courants mesurés en une composante directe et une composante quadratique de courant à partir de la transformée de Park, des moyens de réception d'une consigne pour la composante quadratique de courant, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de régulation aptes à activer, lorsque la composante directe du courant est négative, un mode de commande en défluxage dans lequel la machine est commandée à partir d'une composante directe et d'une composante quadratique de tension de ladite machine, la composante directe et la composante quadratique de tension étant déterminées dans le plan de Park.
Avantageusement, les moyens de commande peuvent comprendre un module d'activation apte à activer le mode de commande en défluxage lorsque la composante directe du courant est négative, et à désactiver le mode de commande en défluxage lorsque la composante directe du courant est positive. De préférence, les moyens de commande comprennent un régulateur proportionnel intégral apte à déterminer un même paramètre de commande lié à la composante directe et la composante quadratique de tension à partir de la différence entre la consigne pour la composante quadratique de courant et la valeur de la composante quadratique de courant et un module apte à déterminer les composantes directe et quadratique de tension à partir du paramètre de commande. Le système de commande peut également comprendre des moyens de transposition aptes à appliquer une transformée de Park aux courants mesurés pour obtenir la composante directe et la composante quadratique de courant. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre, nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 présente un organigramme d'un procédé de commande du couple électromagnétique d'une synchrone selon un mode de mise en oeuvre : - la figure 2 illustre, de manière schématique, un système de commande du couple électromagnétique d'une machine synchrone selon un mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, est représenté un organigramme, selon un mode mise en oeuvre de l'invention, d'un procédé de commande du couple électromagnétique d'une machine synchrone lorsque les tensions à ses bornes saturent. 30 Dans une première étape 110, on mesure le courant pour chacune des trois phases de la machine synchrone triphasée à aimants permanents. machine de Dans une seconde étape 120, on applique la transformée de Park aux trois courants mesurés de manière à obtenir une composante directe Id et une composante quadratique Iq de courant. Dans l'espace de Park, le système d'équation à commander pour la machine synchrone est le suivant : Vd =RSId +Ld Id-WrLglq (1) Vq =RSIq +Lglq-Wr(LdId +0f) Avec Vd et Vq les tension appliquées sur les deux axes respectivement direct et en quadrature du plan de Park de la machine, Id et Iq les courants circulant dans la machine sur les deux axes respectivement direct et en quadrature du plan de Park, RS la résistance équivalente du stator de la machine, Ld et Lq les inductances sur chaque axe respectivement direct et en quadrature du plan de Park de la machine, cor la vitesse de rotation du champ magnétique de la machine (soit la vitesse de rotation du rotor multipliée par le nombre de paires de pôles de la machine), et Of le flux généré par les aimants du rotor. Les tensions Vd et Vq sont créées par un onduleur alimenté par une batterie. Les contraintes à respecter par conséquent sont : ~Vda +Vqa _ Vbat (2) r Avec Vbat la tension de la batterie qui alimente l'onduleur et le hacheur. L'objectif est de générer un couple électromagnétique avec le meilleur rendement possible pour la machine synchrone sur une plage de vitesse connue et plus précisément à grande vitesse. Or, à grande vitesse de rotation du moteur, les tensions de commande de la machine sont saturées et la composante directe Id du courant dans le plan de Park est négative. Par conséquent, dans une étape 130, on détermine si la composante directe de courant possède une valeur négative. Dès que la composante directe Id du courant dans l'espace de Park possède une valeur négative, on active, dans une étape 140, un mode de commande en défluxage.
Le couple électromagnétique généré par la machine synchrone peut se calculer à partir de l'expression suivante : Cern =p(Odlq -0g1d Avec Cern le couple électromagnétique généré par la machine, p le nombre de paires de pôles du rotor de la machine, et Od et ~q les composantes du flux généré sur les axes respectivement direct et en quadrature de la machine qui s'expriment sous la forme : Od =Ldld +Tf et dq =LqIq (4) Dans le cas présent, la machine synchrone possède une symétrie parfaite entre l'axe direct et l'axe en quadrature de l'espace de Park. On a alors la propriété remarquable Ld=Lq, ce qui permet d'écrire Cern =p0flq (5) Ainsi, dans une telle machine, pour commander le couple en limitant au maximum les pertes Joules générées par la composante directe Id du courant, il faut s'arranger pour avoir une composante directe Id du courant la plus proche de zéro, car seule la composante quadratique Iq contribue au couple électromagnétique. L'invention s'applique également dans le cas où Ld=Lq si Ld est supérieur à Lq, mais dans ce cas il est nécessaire de corriger la consigne de la composante quadratique Iq en fonction de la composante directe Id de courant subie de manière à assurer un couple constant. En effet, dans ce cas la composante directe Id de courant étant négative, elle engendre une diminution du couple généré par la machine. Il est ainsi possible de minimiser la perte de couple en rapprochant au maximum la composante directe Id de courant de zéro. Or, à haute vitesse, il est impossible d'annuler complètement la composante directe Id du courant car il faut compenser le terme Wrd f nommé force électromagnétique dû au flux magnétique des aimants permanents qui devient trop important. Pour être optimal, il faut utiliser toute la tension disponible, soit : 11Va ±T7-2 = Vbat -Nh (3) (6) On peut exprimer Vd et Vq à l'aide d'une variable de commande 0 qui se calcule par la transformation suivante : Vd =-V-,- sin(0) (7) Vg = - cos(6 ) Les courants en régime établi à grande vitesse s'expriment alors sous la forme : Iq =RS +(0YLdLg ( (~rLdVd +RsVq -GJrRs(l)f ) Or à grande vitesse on obtient Rs«WrLd=GJrLq, ce qui permet d'obtenir pour l'équation (8) : (OrLgVg -(OY LgO f Rs +(Or LdLq -~rLdVd -(00rRs41) f Rs +GJ LdLq Le flux des aimants étant constant, il ne joue aucun rôle d'un point de vue commande. Il est donc perçu comme une perturbation. On a ainsi en régime haute vitesse établi, à partir de l'équation (7) : Id = Gd cos(0) - perturbationd Iq = Gq sin (0 ) - perturbation 15 Avec Gd = ~rLgVbat et pertubationd = z~r Lz~f , et J(RS + (J)r LdLq Rs + OJr LdLq G = WrLdVbar et pertubation = ~rRs~f q h(Rs +GAYLdLq) q Rs +GAYLdLq A grande vitesse, la force électromagnétique ne peut plus être complètement compensée, ce qui entraîne que V1 <O) impliquant, , {Id a 1z (RSVd +GOrLgVq -w,2Lq~f) Rs + GJr LdLq 1 (8) (10) (10) par conséquent que Gd<perturbationd, LaVbat > Rs(1) f . -N5 et Gq>perturbationq car L'activation du mode de commande en défluxage à l'étape 140, entraîne alors, dans une étape 150, une commande en tension du moteur à partir du paramètre de commande 0 variant dans l'intervalle -~ ' . En faisant varier le paramètre de commande 0 dans cet 2 intervalle, la composante quadratique du courant Iq varie dans le domaine positif et négatif, faisant ainsi fonctionner la machine synchrone en fonctionnement moteur et en fonctionnement générateur, tout en compensant toujours au maximum le terme perturbationd limitant ainsi la composante directe Id génératrice de pertes joules. La machine synchrone est ainsi maintenue avec des tensions saturées permettant d'obtenir un couple électromagnétique maximal, mais tout en contrôlant les courants grâce à une commande en tension de machine via le paramètre de commande O. Dans une étape 160, on détermine si la composante directe Id du courant n'est plus négative. Si elle l'est encore on continue de commander la machine synchrone en tension à partir du paramètre de commande O. Avec le paramètre de commande 0, pour augmenter la composante quadratique de courant Iq, il faut augmenter le paramètre de commande 0 jusqu'à une valeur maximale de n/2 pour avoir la puissance maximale atteignable par la machine, la composante directe Id du courant diminuant automatiquement avec l'augmentation du paramètre de commande O. Inversement, pour diminuer la composante quadratique de courant Iq, il faut diminuer le paramètre de commande 0 jusqu'à une valeur minimale de -7r/2 pour avoir le couple régénératif maximal. L'invention permettant ainsi une auto-adaptation de la composante directe Id du courant. En revanche dès qu'elle ne l'est plus, on sort du mode de commande en défluxage dans une étape 170. Sur la figure 2 est illustré un système de commande du couple électromagnétique d'une machine synchrone triphasée à aimants permanents selon un mode de réalisation de l'invention.
Le système de commande 1 du couple électromagnétique d'une machine synchrone triphasée à aimants permanents comprend des moyens de mesure 2 du courant délivré sur les trois phases Il, '2, 13, de la machine. Ces moyens de mesure 2 sont couplés à des moyens de transposition 3 permettant de transposer les trois courants mesurés en une composante directe Id et une composante quadratique Iq de courant à partir de la transformée de Park. Le système de commande comprend également des moyens de réception 4 d'une consigne Iq Teq pour la composante quadratique Iq de courant.
Le système de commande 1 comprend des moyens de régulation 5 comportant un module d'activation 6 recevant en entrée la composante directe Id de courant et aptes à activer un mode de commande en défluxage dans lequel la machine est commandée à partir d'une composante directe et d'une composante quadratique de tension dans l'espace de Park de ladite machine, lorsque la composante directe Id du courant est négative. Les moyens de régulation 5 comprennent un régulateur 7 proportionnel intégral apte à déterminer un même paramètre de commande dont la composante directe et la composante quadratique de tension dépendent à partir de la différence entre la consigne Iq Teq pour la composante quadratique de courant et la valeur de la composante quadratique Iq de courant calculée par le soustracteur 8. Les moyens de régulation comprennent également un module 9 apte à déterminer les composantes directes Vd et quadratique Vq en tension à partir du paramètre de commande O. L'invention permet ainsi de commander le couple électromagnétique d'une machine synchrone à aimants permanents en assurant la stabilité des courants dans la machine synchrone alors que celle-ci fonctionne à haute vitesse avec des tensions saturées.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de commande du couple électromagnétique d'une machine synchrone triphasée à aimants permanents, comprenant la mesure du courant délivré sur les trois phases de la machine, une transposition des trois courants mesurés en une composante directe (Id) et une composante quadratique (Iq) de courant à partir d'une transformée des systèmes triphasée, la réception d'une consigne (Iq Teq) pour la composante quadratique (Iq) de courant, et, lorsque la composante directe (Id) du courant est négative, l'activation d'un mode de commande en défluxage dans lequel on commande la machine à partir d'une composante directe (Vd) et d'une composante quadratique (Vq) de tension de ladite machine, la composante directe (Vd) et la composante quadratique (Vq) de tension étant déterminées dans le plan lié à la transformée des systèmes triphasés, caractérisé en ce que la composante directe (Vd) et la composante quadratique (Vq) de tension de commande de la machine synchrone dépendent d'un même paramètre de commande (0) déterminé de manière à maintenir une valeur de la composante directe (Id) de courant proche de zéro et permettant de compenser le terme dû au flux magnétique des aimants permanents.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, lorsque la composante directe (Id) du courant redevient positive ou nulle, on sort du mode de commande en défluxage.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la machine synchrone possède une symétrie parfaite entre l'axe direct et l'axe en quadrature du plan de la transformée des systèmes triphasés permettant d'obtenir l'égalité entre les inductances équivalentes (Ld et Lq) sur chaque axe du plan de la transformée des systèmes triphasés.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la composante directe (Vd) et la composante quadratique (Vq) de tension de commande sont proportionnelles à une même amplitude maximale(Vbat) et dépendent sinusoïdalement du paramètre de commande (0), le paramètre de commande (0) variant dans un intervalle [_;]. 2
  5. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la composante directe et la composante quadratique s'expriment selon l'expression : Vd =-V sin (0) 43 V q V = cos(6 )
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la transformée des systèmes triphasés est une transformée de Park.
  7. 7. Système de commande (1) du couple électromagnétique d'une machine synchrone triphasée à aimants permanents, comprenant des moyens de mesure (2) du courant délivré sur les trois phases de la machine, des moyens de transposition (3) aptes à transposer les trois courants mesurés en une composante directe (Id) et une composante quadratique (Iq) de courant à partir d'une transformée des systèmes triphasés, des moyens de réception (4) d'une consigne (Iq Teq) pour la composante quadratique (Iq) de courant, des moyens de commande (5) aptes à activer, lorsque la composante directe (Id) du courant est négative, un mode de commande en défluxage dans lequel la machine est commandée à partir d'une composante directe (Vd) et d'une composante quadratique (Vq) de tension de ladite machine, la composante directe (Vd) et la composante quadratique (Vq) de tension étant déterminées dans le plan lié à la transformée des systèmes triphasée, caractérisé en ce que les moyens de régulation (5) comprennent un régulateur (7) proportionnel intégral apte à déterminer un même paramètre de commande (0) dont la composante directe (Vd) et la composante quadratique (Vq) de tension dépendent à partir de la différence entre la consigne (Iq Teq) pour la composante quadratique de courant et la valeur de la composante quadratique (Iq) de courant et un module (9) apte à déterminer les composante directes et quadratique en tension à partir du paramètre de commande.
  8. 8. Système selon la revendication 7, dans lequel les moyens de commande comprennent un module d'activation apte à activer le mode de commande en défluxage lorsque la composante directe (Id) du courant est négative, et à désactiver le mode de commande en défluxage lorsque la composante directe (Id) du courant est positive.
  9. 9. Système selon l'une des revendications 7 ou 8, comprenant des moyens de transposition (3) aptes à appliquer une transformée de Park aux courants mesurés pour obtenir la composante directe (Id) et la composante quadratique (Iq) de courant.
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