FR3075515A1 - Procede de commande directe d'une machine electrique triphasee - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de commande d'un onduleur triphasé comprenant :
- une étape de détermination (105) d'une valeur d'écart (eΨ[k]) entre une amplitude de flux calculée en fonction desdites valeurs représentatives du flux statorique (Ψα[k], Ψβ[k]) estimé et une amplitude du flux statorique de consigne, et d'une valeur d'écart (eT[k]) entre ledit couple estimé (Tq[k]) et une valeur de couple de consigne (Treqq); et
- en fonction desdites valeurs d'écarts déterminée, une étape de sélection (106) d'une séquence prédéterminée d'actionnement des interrupteurs commandés de l'onduleur.
Description
Procédé de commande directe d’une machine électrique triphasée
La présente invention se rapporte au domaine technique de la commande des machines électriques triphasées de type synchrone et asynchrone, notamment pour une application à des véhicules électriques ou hybrides.
Dans le domaine automobile, un groupe motopropulseur électrique (abrégé GMPE) est notamment composé d’une machine électrique triphasée, pilotée par un onduleur triphasé.
Le but de la commande d’une machine électrique, aussi appelée machine de traction, est d’asservir le couple fourni à sa consigne, d’une manière précise et rapide.
La figure suivante montre la structure générale d’une commande avancée d’une machine à courant alternatif:
La figure 5 d’art antérieur, présente le fonctionnement général d’un ensemble électrique 50 pour une voiture automobile comprenant une machine électrique triphasée 51 ; des convertisseurs de puissance alimentés par la batterie, les convertisseurs 52 comportant un onduleur triphasé 52a à deux niveaux de tension en sortie qui alimente le stator, et, dans le cas d’une machine synchrone à rotor bobiné, un hacheur 52b qui alimente le rotor. L’ensemble électrique comprend en outre un calculateur numérique 53 ayant en mémoire un algorithme de contrôle de la machine électrique 51.
La commande d’une machine électrique dans le cadre d’une application automobile sert à asservir le couple électromagnétique fourni par la machine à sa consigne. Le couple dépend de l’amplitude des vecteurs flux statorique et flux rotorique et de l’angle qu’ils font entre eux.
La commande d’un tel système nécessite de prendre en compte des phénomènes de saturation des commandes, dus notamment aux limites en tension de la batterie.
Il est connu de mettre en oeuvre des procédés de commande, tel que celui décrit dans le document US6181091, basé sur une technique dite de modulation par largeur d’impulsion (dite MLI ou Puise Width Modulation, PWM). Cependant, un tel procédé de commande pose des problèmes notamment liés au temps de réponse de la commande.
On connaît aussi du document FR2980059, un procédé de commande basé sur la transformation vectorielle des consignes de courant dans un repère tournant, toutefois de telles solutions exigent de travailler dans un repère tournant, imposant un découplage d’axe, ce qui ne permet pas d’agir directement sur l’erreur sur le couple et impose des calculs relativement longs et complexes à mettre en oeuvre.
Aussi, il existe le besoin d’un procédé de commande permettant de résoudre les problèmes énoncés précédemment.
On propose un procédé de commande d’un onduleur triphasé comprenant pour chaque phase deux interrupteurs commandés, ledit procédé étant adapté pour réguler une valeur de couple fourni par une machine électrique triphasée comprenant un stator et un rotor ; caractérisé en ce que ledit procédé comprend :
- une étape de mesure des courants statoriques ;
- une étape d’estimation des tensions statoriques ;
- une étape d’estimation du flux statorique dans un repère diphasé lié au stator ;
- une étape d’estimation du couple fourni par la machine électrique en fonction desdits courants statoriques mesurés, et dudit flux statorique estimé ;
- une étape de détermination d’une valeur d’écart entre une amplitude de flux calculée en fonction dudit flux statorique estimé et une amplitude de consigne du flux statorique, et d’une valeur d’écart entre ledit couple estimé et une valeur de couple de consigne ;
- Une étape de détermination d’une variable m en fonction des signes de valeurs représentatives du flux statorique,
- en fonction desdites valeurs d’écarts déterminées et de la variable m, une étape de sélection d’une séquence prédéterminée d’actionnement des interrupteurs commandés de l’onduleur ; et
- une étape d’actionnement desdits interrupteurs commandés dudit onduleur en fonction de ladite séquence sélectionnée.
Ainsi, le procédé pilote les interrupteurs de puissance de l’onduleur directement (en commande directe) à partir de l’erreur d’asservissement du couple, et ce en passant par des étapes de calculs d’optimisation de temps de réponse et de minimisation de l’erreur statique. La solution proposée est générique, elle s’applique sur les machines synchrones et asynchrones, et ne nécessite que la connaissance de la résistance statorique, et des mesures de courants. Une de ses propriétés est d’éviter de travailler dans le repère tournant (dq) et agir directement à partir de l’erreur sur le couple.
Avantageusement et de manière non limitative, l’étape de sélection est précédée d’une étape intermédiaire de détermination d’une valeur intermédiaire liée au flux et d’une valeur intermédiaire liée au couple, ladite sélection étant opérée en fonction du produit desdites valeurs intermédiaires liées au flux et au couple. Ainsi, la sélection s’opère suivant un critère mixte flux/couple.
Avantageusement et de manière non limitative, au cours de l’étape de sélection, on détermine une valeur de sélection correspondant à la somme de la variable m avec le produit des valeurs intermédiaires liées au flux et au couple. Ainsi, la sélection est relativement simple à calculer.
Avantageusement et de manière non limitative, le procédé est adapté pour que la valeur de sélection corresponde à une valeur entière relative. Ainsi, la commande sélectionnée peut être lue directement dans un tableau double entrée stocké dans un emplacement mémoire, par référence à l’index lié à la valeur de sélection correspondante.
Avantageusement et de manière non limitative, ladite valeur de sélection est comprise dans l’intervalle fermé [-1, 8]. Ainsi, on peut obtenir une valeur de sélection limitée à 9 valeurs, et donc 9 états des interrupteurs commandés de l’onduleur possible, ce qui rend la commande relativement simple.
Avantageusement et de manière non limitative, l’étape de mesure des courants statoriques comprend la transformation des courants mesurés pour chaque phase sous la forme d’un vecteur de courants dans un repère bidimensionnel lié au stator. Ceci permet de simplifier grandement les calculs. En particulier la transformation peut être une transformation de Clarke.
Avantageusement et de manière non limitative, le dispositif de commande d’un onduleur triphasé comprend :
- un organe de mesure des courants statoriques ;
- des moyens d’estimation des tensions statoriques ;
- des moyens d’estimation du flux statorique dans un repère diphasé lié au stator ;
- des moyens d’estimation du couple fourni par la machine électrique en fonction desdits courants statoriques mesurés et dudit flux statorique estimé ;
- des moyens de détermination des écarts entre l’amplitude du flux statorique estimé et une amplitude de consigne du flux statorique, et entre ledit couple estimé et une valeur de couple de consigne ;
- des moyens de détermination d’une variable m en fonction des signes de valeurs représentatives du flux statorique,
- des moyens pour sélectionner, en fonction desdites valeurs d’écarts déterminées et de ladite variable m, une séquence prédéterminée d’actionnement des interrupteurs commandés de l’onduleur ; et
- de moyens d’actionnement des interrupteurs commandés de l’onduleur en fonction de ladite séquence sélectionnée.
le dispositif de commande comprend en outre une mémoire permettant de stocker ladite séquence prédéterminée d’actionnement des interrupteurs commandés de l’onduleur.
L’invention concerne aussi un ensemble électrique, comprenant un onduleur, une machine électrique et un dispositif de commande tel que décrit précédemment
L’invention concerne aussi un véhicule automobile comprenant un ensemble électrique tel que décrit précédemment
D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d’un mode de réalisation particulier de l’invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est un organigramme d’un procédé de commande selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 2 est un organigramme représentant une étape de détermination d’une valeur intermédiaire de flux selon le mode de réalisation de la figure 1 ;
- la figure 3 est un organigramme représentant une étape de détermination d’une valeur intermédiaire de couple selon le mode de réalisation de la figure 1 ;
- la figure 4 est un organigramme représentant une étape supplémentaire d’un deuxième mode de réalisation de l’invention, de sélection d’une tension de commande à appliquer au rotor bobiné d’une machine électrique ;
- la figure 5 est une vue d’un ensemble électrique selon un mode de réalisation de l’invention ; et
- la figure 6 est un onduleur de l’ensemble électrique selon le mode de réalisation de la figure 5.
Dans un premier mode de réalisation de l’invention, en référence aux figures 1 à 3, on souhaite asservir le couple T fourni par la machine électrique à une valeur de consigne de couple Tq req.
Dans ce mode de réalisation la machine électrique est une machine synchrone comprenant un rotor non-bobiné. Autrement dit la machine est uniquement commandée quant aux courants/tensions statoriques.
Tout d’abord on détecte la saturation de la commande, ce qui fait partie des connaissances générales de l’homme de métier.
Dans la suite de la description on fera référence sous la lettre k à l’instant où l’on considère les états des interrupteurs de l’onduleur.
Aussi, l’instant k-1 correspond à l’instant discret précédent l’instant k.
La succession d’instants [k-n.... k-3, k-2, k-1, k] étant une succession d’instants de mise à jour des états des interrupteurs commandés de l’onduleur, en fonction de la fréquence de fonctionnement de l’onduleur.
Par soucis de simplicité de lecture, on interprétera dans la suite de la description, les phrases de forme « à l’état k >>, comme étant l’abréviation de « l’état des interrupteurs commandés de l’onduleur à l’instant k >>.
Dans une première étape, on mesure 101, pour l’état k de l’onduleur, les courants statoriques de la machine et on les transforme 101’ dans un repère diphasé fixe αβ :
Ga[fc] — γ G[fc] — γ(/&[/<] Ί” îc[fc]) hp[k] — γγ — Mfc]) (1) (2)
Avec ia, ib, ic les courants de phase de l’onduleur.
A partir des états précédant k-1 des interrupteurs de puissance de l’onduleur, on estime 102 les composantes d’un vecteur de tension (υ,α[/φ vs/?[k]) aux bornes de la machine comme suit :
Vsafjc] = _ ~ (Sfcffc-i] + Sc[fc-i]) (3) vsp[k] = (^[fc-1] “ Sc[k_ij) (4)
Avec :
Vdc : la tension de bus DC (tension de la batterie dans un véhicule automobile).
Sa>sb>sc Iss états des interrupteurs haut A+, B+, C+ respectivement des bras A, B et C (1 : fermé, 0 : ouvert).
Le flux statorique est ensuite estimé 103 suivant l’équation suivante : ψςα[1ί] ~ ^sa[k-l] T ^Vsa[k] T Ga[fc-1])^(8) ψςβ[Ε\ ~ ψςβ[)ί-1] T Ts ~(j^[k] T G/Î[fc-1])^(θ)
Ts étant la période d’échantillonnage des mesures de courants.
Rs : la résistance du bobinage statorique.
On calcule l’amplitude du flux statorique :
ψ3[/<] = J^salk] + ΨζβΜ(
Le couple est estimé 104 par l’équation suivante :
T/K ~ ^P(jPsa[k]isfi[k] lpsfi[k]isa[k])(θ) p : nombre de paires de pôles de la machine.
On calcule 105 les deux valeurs d’écart respectivement de flux e^[k] et de couple eT[k] que l’on cherche à minimiser :
Vdcm ~ p^N[k] ~ eT[k]-lq ~lq[k] (9) (10)
N[k] : vitesse de rotation mécanique du rotor (en tour/minute). et ÂT[kj en référence aux figures 1 et 2:
On calcule 110 ensuite en référence à la figure 2, une valeur intermédiaire de flux en vue de la sélection de la séquence de commande des interrupteurs commandés, en référence à la figure 1 :
Si 10 l’écart > εψ avec εψ une valeur seuil d’écart de flux, sous forme de réel positif définie par l’homme du métier, Alors 14 : λψ[1ζ] = 1
Sinon, si l’écart 11 < -εψ, alors 13 : λψ[1<] = 2
Et sinon 12 : λψΜ = λψ^-ι]
On calcule 120 aussi en référence à la figure 3, une valeur intermédiaire de couple AT[k], en vue de la sélection de la séquence de commande des interrupteurs commandés :
Si 20 l’écart eT[kj > ετ avec ετ une valeur seuil d’écart de couple, sous forme de réel positif définie par l’homme du métier, alors 21 : λτ^ = 1
Sinon, si 22 eT[kj < -ετ alors 24 := -1
Et sinon 23 : ÂT[kj = ATik_1j
| Ensuite, on calcule une troisième valeur intermédiaire m que définie ci-dessous: | (variable m) telle |
| m = — a(3 — h(l — c d))) avec: | (11) |
| a - sign(yp[k]+ J-]) b = sign(x[>p[k] - V3i/>a[k]) c = sign (xpp[k] + J.]) d = sign(ya[k]) | (12) (13) (14) (15) |
La fonction sign(x) est définie par :
sign(x) = 1 si x >0 signÇx) = — 1 si x <0 signÇx) = 0 si x =0
Le choix de la séquence d’ouverture/fermeture des semi-conducteurs de puissance se fait suivant une valeur de sélection V[k] fonction de la valeur m et des valeurs intermédiaires de couple et de flux :
L’équation (16) a pour effet de fournir uniquement des valeurs entières comprises entre -1 et 8 :
K[fc] = (-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8)
Le choix de la séquence de commande de l’onduleur se fait suivant un tableau prédéfini, comprenant une mise en relation entre la valeur entière V[k] et la séquence onduleur, tel que représenté dans le tableau suivant :
| Séquence onduleur (Sa$b$c) | |
| -1 | (001) |
| 0 | (101) |
| 1 | (100) |
| 2 | (110) |
| 3 | (010) |
| 4 | (011) |
| 5 | (001) |
| 6 | (101) |
| 7 | (100) |
| 8 | (110) |
Les paramètres de réglage de cette stratégie de commande sont donc les valeurs de seuil d’écart respectivement de flux et de couple eT.
La séquence de commande de l’onduleur sélectionnée étant ensuite commandée à l’onduleur pour réguler la valeur de couple fourni par la machine électrique.
Dans un deuxième mode de réalisation, lorsque le rotor est un rotor bobiné, l’ensemble du procédé est identique au premier mode de réalisation dans lequel le rotor est un organe non bobiné.
Cependant, le procédé comprend en outre la mesure du courant rotorique et son asservissement à sa consignes Çeq en appliquant un tension de commande vf[k], au bobinage rotorique.
Cette tension de commande vf[k] est calculée 130 en référence à la figure 4 de telle sorte que :
Si 30 la valeur absolue de la différence \Çeq - if[k]\ > alors 31 :
Vf[k] = Vdc Sign(i™q - if[k]).
L’opérateur « sign >> désignant le signe de la différence indiquée .req .
Sinon 32 :
Dans lequel est une valeur de seuil d’écart de courant rotorique pouvant être défini par l’homme de métier.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Procédé de commande d’un onduleur triphasé comprenant pour chaque phase deux interrupteurs commandés, ledit procédé étant adapté pour réguler une valeur de couple fourni par une machine électrique triphasée comprenant un stator et un rotor ; caractérisé en ce que ledit procédé comprend :- une étape de mesure (101 ) des courants statoriques (isa[fcj, isg[k]) ;- une étape d’estimation (102) des tensions statoriques (vsa[k], vs/?[k]) ;- une étape d’estimation (103) du flux statorique (ψα[ΐι]>ψβ[ΐι]) dans un repère diphasé lié au stator ;- une étape d’estimation (104) du couple (¾]) fourni par la machine électrique en fonction desdits courants statoriques mesurés (GaffeT û>z?[fc])’ et du flux statorique (ΨαΜ’Ψβ^]) estimé ;- une étape de détermination (105) d’une valeur d’écart (εψΜ) entre une amplitude de flux calculée en fonction du flux statorique (ψα[κ],'Ψβ[κγ) estimé et une consigne de flux, et d’une valeur d’écart (eT[fcj) entre ledit couple estimé (îq[fcj) et une valeur de couple de consigne (T^eq);- Une étape de détermination d’une variable m en fonction des signes de valeurs représentatives du flux statorique.- en fonction desdites valeurs d’écarts déterminée et de la variable m, une étape de sélection (106) d’une séquence prédéterminée d’actionnement des interrupteurs commandés de l’onduleur ; et- une étape d’actionnement desdits interrupteurs commandés dudit onduleur en fonction de ladite séquence sélectionnée.
- 2. Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape de sélection est précédée d’une étape intermédiaire de détermination d’une valeur intermédiaire liée au flux et d’une valeur intermédiaire liée au couple (ΛτΜ), ladite sélection (106) étant opérée en fonction du produit desdites valeurs intermédiaires de flux (ΛτΜ) et de couple (ΛψΜ).
- 3. Procédé de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’au cours de l’étape de sélection (106), on détermine une valeur de sélection (v[fc]) correspondant à la somme de la variable m avec le produit des valeurs intermédiaires liées au flux (λτΜ) et au couple (Â^[fc]).
- 4. Procédé de commande selon la revendication 3, caractérisé en ce qu’il est adapté pour que la valeur de sélection (v[fc]) corresponde à une valeur entière relative.
- 5. Procédé de commande selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite valeur de sélection (v[fc]) est comprise dans l’intervalle fermé [-1,8].
- 6. Procédé de commande selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’étape de mesure (101) des courants statoriques comprend la transformation (101’) des courants mesurés pour chaque phase sous la forme d’un vecteur de courants dans un repère bidimensionnel lié au stator.
- 7. Dispositif de commande (53) d’un onduleur triphasé comprenant :- un organe de mesure des courants statoriques ;- des moyens d’estimation des tensions statoriques ;- des moyens d’estimation du flux statorique dans un repère diphasé lié au stator ;- des moyens d’estimation du couple fourni par la machine électrique en fonction desdits courants statoriques mesurés et du flux statorique estimé ;- des moyens de détermination des écarts entre l’amplitude du flux statorique estimé et une valeur de consigne d’amplitude du flux statorique, et entre ledit couple estimé et une valeur de couple de consigne ;- des moyens de détermination d’une variable m fonction des signes de valeurs représentatives du flux statorique,- des moyens pour sélectionner, en fonction desdites valeurs d’écarts déterminées et de ladite variable m, une séquence prédéterminée d’actionnement des interrupteurs commandés de l’onduleur ; et- de moyens d’actionnement des interrupteurs commandés de l’onduleur5 en fonction de ladite séquence sélectionnée.
- 8. Ensemble électrique (50), comprenant un onduleur (52), une machine électrique (51) et un dispositif de commande (53) selon la revendication 7.îo
- 9. Véhicule automobile comprenant un ensemble électrique (50) selon la revendication 8.
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