FR3054391A1 - Estimation du couple d’une machine a rotor bobine utilisant un reseau de neurones - Google Patents
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- H02P21/20—Estimation of torque
Abstract
L'invention concerne un procédé d'estimation du couple d'une machine électrique à rotor bobiné, comportant les étapes de : - réception (E1) de valeurs des courants des phases du stator de ladite machine électrique, et d'une valeur du courant rotorique de ladite machine électrique, - transformation (E2) desdites valeurs des courants des phases du stator dans un repère biphasé - obtention (E3) d'un vecteur courant comportant lesdites valeurs de courants transformées, ainsi que ladite valeur de courant rotorique, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre : - une étape d'application (E4) dudit vecteur courant en entrée d'un réseau de neurones, dans lequel les neurones d'au moins une couche cachée ont une fonction d'activation sigmoïde, - et une étape d'obtention (E5) de ladite estimation de couple directement en sortie dudit réseau de neurones.
Description
054 391
56991 ® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE
COURBEVOIE © N° de publication :
(à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)
©) N° d’enregistrement national © Int Cl8 : H 02 P 21/20 (2017.01)
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION
A1
| (© Date de dépôt : 22.07.16. | ©) Demandeur(s) : RENAULT S.A.S Société par actions |
| ©) Priorité : | simplifiée — FR. |
| @ Inventeur(s) : MARSILIA MARCO et BAUMANN THI- | |
| BAUT. | |
| (43) Date de mise à la disposition du public de la | |
| demande : 26.01.18 Bulletin 18/04. | |
| ©) Liste des documents cités dans le rapport de | |
| recherche préliminaire : Se reporter à la fin du | |
| présent fascicule | |
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£>4/ ESTIMATION DU COUPLE D'UNE MACHINE A ROTOR BOBINE UTILISANT UN RESEAU DE NEURONES.
FR 3 054 391 - A1
L'invention concerne un procédé d'estimation du couple d'une machine électrique à rotor bobiné, comportant les étapes de:
- réception (E1 ) de valeurs des courants des phases du stator de ladite machine électrique, et d'une valeur du courant rotorique de ladite machine électrique,
- transformation (E2) desdites valeurs des courants des phases du stator dans un repère biphasé
- obtention (E3) d'un vecteur courant comportant lesdites valeurs de courants transformées, ainsi que ladite valeur de courant rotorique, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre:
- une étape d'application (E4) dudit vecteur courant en entrée d'un réseau de neurones, dans lequel les neurones d'au moins une couche cachée ont une fonction d'activation sigmoïde,
- et une étape d'obtention (E5) de ladite estimation de couple directement en sortie dudit réseau de neurones.
Estimation du couple d’une machine à rotor bobiné utilisant un réseau de neurones
La présente invention se rapporte de manière générale au domaine de l’électrotechnique et plus précisément au pilotage d’un moteur électrique, trouvant notamment une application avantageuse dans le domaine automobile.
La commande d’un moteur électrique utilise classiquement une boucle de régulation, dans laquelle étant donné un couple de consigne, on en déduit des courants de consigne et des tensions de commande pour l’onduleur alimentant le moteur électrique. Dans certains procédés de régulation, on corrige l’erreur entre le couple réalisé par le moteur électrique et le couple de consigne.
De plus la connaissance du couple réalisé est également nécessaire pour surveiller le bon fonctionnement du moteur électrique, notamment pour interdire par exemple l’utilisation de celui-ci lorsque le couple réalisé ne suit pas le couple de consigne du fait d’un défaut logiciel et risque d’engendrer des accélérations ou freinages intempestifs dangereux en conduite.
Dans de tels procédés de régulation du couple ou de surveillance du couple, le couple réalisé est soit mesuré soit estimé. La mesure du couple réalisé nécessite un capteur coûteux, une estimation du couple réalisé est donc préférable. Une telle estimation utilise généralement des mesures des courants de phase du moteur électrique, ainsi que des valeurs représentatives du flux magnétique généré par les bobinages du moteur électrique.
Or le flux magnétique généré par le moteur électrique, qui peut être déduit des mesures de courants de phase, ne varie linéairement avec ceux-ci que pour de faibles valeurs d’intensité, et est donc difficile à estimer, notamment dans un moteur électrique à rotor bobiné qui produit un fort couplage magnétique. II est possible, afin de rester dans un domaine linéaire de variation du flux en fonction des mesures des courants de phase, de sur-dimensionner le moteur électrique par rapport au besoin de couple. Néanmoins cette solution n’est pas souhaitable dans le domaine automobile où on cherche le moins d’encombrement possible du groupe motopropulseur électrique.
Une autre solution consiste à embarquer dans le véhicule utilisant un tel procédé de régulation ou de surveillance de couple, une cartographie du flux magnétique généré par le moteur électrique en fonction des intensités circulant dans les phases du moteur électrique. Cette solution nécessite néanmoins des ressources de calcul et de mémoire très importantes.
Le brevet FR2884609 propose une estimation du couple d’un moteur électrique utilisant un réseau de neurones en entrée duquel on applique une requête de couple et un régime moteur. Cette estimation utilisant la requête conducteur, elle ne permet pas de détecter des incohérences entre le couple réalisé et la requête conducteur.
La demande de brevet français de numéro de dépôt FR1552013 propose une estimation du couple d’un moteur électrique utilisant deux réseaux de neurones en entrée desquels on applique les courants circulant dans les phases du stator du moteur électrique transformés dans le domaine de Park, ainsi que le courant circulant dans le rotor du moteur électrique. Un des réseaux de neurones produit en sortie la composante quadratique du flux généré par la machine électrique dans le repère de Park, tandis que l’autre réseau de neurones produit en sortie la composante directe du flux généré par la machine électrique dans le repère de Park. Le couple moteur est ensuite calculé à partir de ces composantes du flux et des courants des phases dans le repère de Park. Cette estimation nécessite néanmoins, pour obtenir les composantes du flux à apprendre en sortie des réseaux de neurones, un modèle théorique du moteur électrique, dont un recalage et un réglage fin, qui seuls lui permettent d’être représentatif du moteur électrique, sont complexes et longs à réaliser.
Un des buts de l'invention est de remédier à au moins une partie des inconvénients de la technique antérieure en fournissant un procédé et un système d’estimation du couple d’un moteur électrique à rotor bobiné, qui nécessite d’embarquer peu de ressources de mémoire et de calcul, tout en ne nécessitant pas un réglage complexe et long à réaliser.
A cette fin, l'invention propose un procédé d’estimation du couple d’une machine électrique à rotor bobiné, comportant les étapes de :
réception de valeurs des courants des phases du stator de ladite machine électrique, et d’une valeur du courant rotorique de ladite machine électrique, transformation desdites valeurs des courants des phases du stator dans un repère biphasé, obtention d’un vecteur courant comportant lesdites valeurs de courants transformées, ainsi que ladite valeur de courant rotorique, ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre :
- une étape d’application dudit vecteur courant en entrée d’un réseau de neurones, dans lequel les neurones d’au moins une couche cachée ont une fonction d’activation sigmoïde,
- et une étape d’obtention de ladite estimation de couple directement en sortie dudit réseau de neurones.
Grâce à l'invention, on estime le couple moteur réalisé uniquement à partir des courants circulant dans les bobinages du moteur électrique, de manière représentative du couple effectivement réalisé malgré la non-linéarité du flux magnétique lorsque le couplage magnétique généré par la machine est important, tout en minimisant les ressources de mémoire et de calcul nécessaires puisqu’un seul réseau de neurones est nécessaire. De plus le réglage du réseau de neurones ne nécessite pas dans l’invention un modèle théorique de la machine électrique. En effet, le réseau de neurones est entraîné dans l’invention à partir de valeurs de couples réalisés, qui sont par exemple mesurés lors d’essais réels sur un banc de test du moteur électrique.
Selon une caractéristique avantageuse du procédé selon l’invention, ledit réseau de neurones comporte une seule couche cachée de quatre neurones, et un seul neurone sur sa couche de sortie. Cette configuration est optimale pour un moteur triphasé d’environ 65KW et 220Nm de couple.
Selon une autre caractéristique avantageuse du procédé selon l’invention, ladite fonction d’activation sigmoïde est une fonction logsig :
i x “ + e x
Cette fonction d’activation semble plus apte à permettre au réseau de neurones de reproduire les non-linéarités à couplage magnétique important.
L'invention concerne aussi un système d’estimation du couple d’une machine électrique à rotor bobiné, comportant :
- des moyens de réception de valeurs des courants des phases du stator de ladite machine électrique, et d’une valeur du courant rotorique de ladite machine électrique,
- des moyens de transformation desdites valeurs des courants des phases du stator dans un repère diphasé,
- des moyens d’obtention d’un vecteur courant comportant les valeurs de courants transformées par lesdits moyens de transformation ainsi que ladite valeur du courant rotorique, ledit système étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre :
- un réseau de neurones dont les neurones d’au moins une couche cachée ont une fonction d’activation sigmoïde,
- des moyens d’application dudit vecteur courant à l’entrée dudit réseau de neurones, et des moyens d’obtention de ladite estimation de couple directement en sortie dudit réseau de neurones.
Avantageusement, le réseau de neurones du système selon l’invention comporte une seule couche cachée de quatre neurones, et un seul neurone sur sa couche de sortie.
Avantageusement encore, la fonction d’activation sigmoïde utilisée dans le système selon l’invention est une fonction logsig : i x “ + e x
L’invention concerne également une utilisation du procédé d’estimation de couple selon l’invention pour réguler le couple fourni par une machine électrique.
L’invention concerne encore une utilisation du procédé d’estimation de couple selon l’invention pour détecter une incohérence entre une requête de couple et le couple réalisé par une machine électrique.
L’invention concerne enfin un programme d’ordinateur comportant des instructions pour mettre en oeuvre le procédé d’estimation de couple selon l’invention, lorsqu'il est exécuté sur un ou plusieurs processeurs.
Le système d’estimation de couple selon l’invention, les utilisations du procédé d’estimation de couple selon l’invention et le programme d’ordinateur selon l’invention présentent des avantages analogues à ceux du procédé d’estimation de couple selon l’invention.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture d’un mode de réalisation préféré décrit en référence aux figures dans lesquelles:
- la figure 1 représente des étapes du procédé d’estimation de couple selon l’invention, dans ce mode de réalisation préféré,
- et la figure 2 représente un système d’estimation de couple selon l'invention, dans ce mode de réalisation préféré.
Selon un mode préféré de réalisation de l'invention représenté à la figure 1, le procédé d’estimation du couple d’une machine à rotor bobiné selon l’invention comporte des étapes E1 à E5. Il est implémenté de manière logicielle dans un programme d’ordinateur embarqué dans un véhicule. Il est par exemple exécuté dans le calculateur central du véhicule, qui supervise la machine électrique et calcule les tensions de commande à lui appliquer. Il est de plus stocké dans une mémoire morte connectée au calculateur, cette mémoire morte faisant partie du système d’estimation du couple de la machine électrique représenté sur la figure 2.
L’étape E1 est la réception par un module logiciel MOD du système selon l’invention, des valeurs des courants la, b et lc circulant dans les phases du stator de la machine électrique, et de la valeur du courant If circulant dans le rotor de la machine électrique. Ces valeurs de courant sont par exemple mesurées par des capteurs physiques présents dans la machine électrique.
L’étape suivante E2 est la transformation des valeurs des courants des phases la, b et lc reçues à l’étape E1, dans un repère de Park, par le module logiciel MOD. En variante ces valeurs sont transformées dans un repère de Clarke. On obtient dans cette étape E2, une valeur de courant direct b et une valeur de courant quadratique lq correspondant aux courants statoriques exprimés dans le repère de Park.
L’étape suivante E3 est l’obtention, par le module logiciel MOD, d’un vecteur courant (b, lq, If), c’est-à-dire l’association de ces trois valeurs temporairement dans une mémoire vive utilisée par le calculateur mettant en oeuvre l’invention, pour utilisation à l’étape suivante E4.
L’étape suivante E4 est l’application, par le module logiciel MOD, du vecteur courant (b, lq, h) en entrée d’un réseau de neurones RES, représenté plus particulièrement sur la figure 2.
Le réseau de neurones RES comporte une couche d’entrée lisant le vecteur courant, une couche cachée comportant quatre neurones, et une couche de sortie comportant un neurone.
Chaque fonction d’activation de la couche cachée est une fonction sigmoïde, ici une fonction logsig :
i x “ + e x
En variante, la fonction d’activation est une fonction tansig : x ->tanh(x)
La couche de sortie comportant un seul neurone délivre une estimation du couple de la machine électrique.
Chaque neurone de la couche cachée ou de la couche de sortie applique donc la fonction :
IL logsigÇ^
WiXi + h) i=i où :
- x, sont les sorties de la couche précédente de neurones, qui peuvent être les valeurs du vecteur courant si le neurone appliquant la fonction appartient à la couche cachée ;
- b est le biais associé au neurone appliquant la fonction,
- et w, est le poids associé au neurone de la couche précédente de neurones fournissant la sortie x,.
Les valeurs des poids et des biais de chaque neurone est fixé lors d’une étape d’apprentissage du réseau de neurones, préalable à l’exécution du procédé d’estimation de couple selon l’invention, et utilisant par exemple l’algorithme de rétro-propagation du gradient ou de cascade corrélation.
Cette étape d’apprentissage utilise une série de vecteurs courants et de couples mesurés associés obtenus sur un banc de test du moteur électrique. Les vecteurs courants utilisés lors de cet apprentissage forment un maillage des plages de courant correspondant aux zones de fonctionnement normales du moteur électrique.
La configuration retenue (fonction sigmoïde, nombre de couches cachées et de neurones sur chaque couche cachée, algorithme d’apprentissage) correspond aux meilleurs résultats obtenus lors de l’étape d’apprentissage pour un type de moteur électrique testé.
En fonction du type de moteur, dans des variantes de réalisation de l’invention, le réseau de neurones comporte par exemple entre une et trois couches cachées, chaque couche cachée comportant entre 3 et 6 neurones.
Dans l’étape E4 d’application, le réseau de neurones RES est donc activé avec en entrée les valeurs du vecteur courant. Le réseau de neurones RES propage ces valeurs sur la couche de neurones cachées, dont les sorties se propagent sur la couche suivante de sortie.
L’étape E5 est l’obtention de l’estimation de couple Cest associée au vecteur courant, directement en sortie du neurone formant la couche de sortie du réseau de neurones RES.
Les étapes E1 à E5 sont répétées continûment selon un pas de calcul, lors du fonctionnement du moteur électrique. Le vecteur courant est donc réactualisé à chaque pas de calcul, et l’estimation de couple également.
Cette estimation de couple Cest est ensuite utilisée pour contrôler le couple fourni par le moteur électrique, en lieu et place d’un capteur physique. Le procédé de commande du moteur électrique utilise en effet une boucle de régulation, dans laquelle étant donné un couple de consigne, déterminé à partir d’une requête de couple du conducteur, on en déduit des courants de consigne et des tensions de commande pour l’onduleur alimentant le moteur électrique. Un correcteur calculant l’erreur entre le couple de consigne et l’estimation de couple Cest injecte cette erreur en entrée de la bouche de régulation.
Cette estimation de couple Cest est également utilisée pour surveiller le bon fonctionnement du moteur électrique, notamment pour interdire par exemple l’utilisation de celui-ci ou entrer dans un mode dégradé lorsque le couple Cest ne suit pas le couple de consigne du fait d’un défaut logiciel qui risque d’engendrer des accélérations ou freinages intempestifs dangereux en conduite. Ce procédé de surveillance de couple comporte par exemple des étapes de :
- comparaison entre la valeur d’estimation de couple Cest obtenue à un instant donné et un gabarit de couple moteur dépendant d’une valeur de consigne de couple, au niveau du couple de consigne fourni au moteur électrique à cet instant donné,
- détection d’une situation anormale du type freinage intempestif, ou freinage trop important, ou accélération intempestive, lorsque la valeur d’estimation de couple Cest ne se situe pas dans le gabarit de couple moteur, l’étape de détection étant suivie d’une étape de remontée d’alerte.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Procédé d’estimation du couple d’une machine électrique à rotor bobiné, comportant les étapes de :réception (E1) de valeurs des courants des phases (la, lb, le) du stator de ladite machine électrique, et d’une valeur du courant rotorique (If) de ladite machine électrique, transformation (E2) desdites valeurs des courants des phases (la, lb, le) du stator dans un repère biphasé, obtention (E3) d’un vecteur courant comportant lesdites valeurs de courants transformées (k, lq), ainsi que ladite valeur de courant rotorique (If), ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre :- une étape d’application (E4) dudit vecteur courant en entrée d’un réseau de neurones (RES), dans lequel les neurones d’au moins une couche cachée ont une fonction d’activation sigmoïde,- et une étape d’obtention (E5) de ladite estimation de couple (Cest) directement en sortie dudit réseau de neurones (RES).
- 2. Procédé d’estimation du couple d’une machine électrique à rotor bobiné selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit réseau de neurones (RES) comporte une seule couche cachée de quatre neurones, et un seul neurone sur sa couche de sortie.
- 3. Procédé d’estimation du couple d’une machine électrique à rotor bobiné selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite fonction d’activation isigmoïde est une fonction logsig : x -> 1+e_x
- 4. Système d’estimation du couple d’une machine électrique à rotor bobiné, comportant :- des moyens de réception de valeurs des courants des phases (la, b, b) du stator de ladite machine électrique, et d’une valeur du courant rotorique (If) de ladite machine électrique,- des moyens de transformation desdites valeurs des courants des phases (la, b, k) du stator dans un repère diphasé,- des moyens d’obtention d’un vecteur courant comportant les valeurs de courants transformées (b, lq) par lesdits moyens de transformation ainsi que ladite valeur du courant rotorique (If), ledit système étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre :- un réseau de neurones (RES) dont les neurones d’au moins une couche cachée ont une fonction d’activation sigmoïde,- des moyens d’application dudit vecteur courant à l’entrée dudit réseau de neurones (RES), et des moyens d’obtention de ladite estimation de couple (Cest) directement en sortie dudit réseau de neurones (RES).
- 5. Système d’estimation du couple d’une machine électrique à rotor bobiné selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit réseau de neurones (RES) comporte une seule couche cachée de quatre neurones, et un seul neurone sur sa couche de sortie.
- 6. Système d’estimation du couple d’une machine électrique à rotor bobiné selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ladite fonction d’activation isigmoïde est une fonction logsig : x -> 1+e_x
- 7. Utilisation du procédé d’estimation de couple selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 pour réguler le couple fourni par une machine électrique.
- 8. Utilisation du procédé d’estimation de couple selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 pour détecter une incohérence entre une requête de couple et le couple réalisé par une machine électrique.
- 9. Programme d’ordinateur comportant des instructions pour mettre en œuvre le procédé d’estimation de couple selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, lorsqu'il est exécuté sur un ou plusieurs processeurs.1/2 (ΛCDΟMOD
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