FR3135845A1 - Dispositif de contrôle pour une machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents - Google Patents

Dispositif de contrôle pour une machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents Download PDF

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Jérémy CUENOT
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Abstract

Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents (40), pourvue d’un dispositif de contrôle comportant un calculateur (100) de commande d’un onduleur (30) de pilotage des phases de ladite machine, pour laquelle ledit calculateur comporte un module estimateur de vitesse et de position angulaire (10) du rotor de ladite machine pourvu à son entrée d’un module sélecteur d’entrées (1), recevant des données numériques de tensions, ledit module sélecteur d’entrées étant piloté par une commande (SEL) de mode de fonctionnement de ladite machine, ledit module sélecteur d’entrées étant configuré pour sélectionner : - des entrées de données représentatives des tensions de commande Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd triphasées des phases A, B, C de l’onduleur (30), en mode de fonctionnement alimenté de ladite machine ; - des entrées de données représentatives de tensions mesurées Va_mes, Vb_mes, Vc_mes triphasées des phases A, B, C de ladite machine, en mode rotation libre, - des entrées de données de tensions forcées à zéro, en mode de mise en court-circuit des phases de ladite machine ; comme données d’entrée du module estimateur de vitesse et de position angulaire de ladite machine. Figure 1

Description

Dispositif de contrôle pour une machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents
L’invention relève du domaine des systèmes de commande des machines tournantes triphasées synchrone à aimants permanents telles que des moteurs sans balais, notamment des moteurs synchrones à aimants permanents pilotés par une commande à au moins trois phases tels que connus sous l’acronyme anglo-saxon PMSM et concerne plus particulièrement un procédé et un dispositif de commande d’un tel moteur sans capteurs de position ni de vitesse.
Des procédés et dispositifs de contrôle sans capteurs pour machines tournantes ou moteur électriques sont connus pour des applications de pilotage à relativement forte vitesse et peu de charge résistive au démarrage.
Les commandes sans capteur (ou sensorless en anglais) sont notamment efficaces en régime établi, mais comportent des faiblesses sur certains modes de fonctionnement :
  1. - En phase de rotation libre aussi appelée roue-libre, une commande sans capteur ne peut pas assurer l’estimation de la position angulaire du rotor car il n’y a pas de tension appliquée à la machine synchrone par l’onduleur,
  2. - En phase basse vitesse ou démarrage, les algorithmes sans capteur présentent des faiblesses avec risque d’instabilité et d’information erronée.
Il y a donc besoin d’utiliser pour ces modes un second système d’estimation ou de mesure de la position :
Pour la rotation libre, un tel second système est le plus souvent basé sur un circuit PLL permettant de recalculer vitesse et angle à partir des mesures de tensions de force électromotrice (fem) issues du moteur.
Pour la basse vitesse, une autre solution est de combiner une commande basée sur la mesure de la force électromotrice à une méthode sans capteur utilisant la saillance de la machine (position extraite de Ld différent de Lq par injection de fréquence) ou bien d’utiliser un capteur de position ou encore d’utiliser une commande boucle ouverte.
Problème technique
Les solutions de l’état de l’art nécessitent ainsi des systèmes distincts pour reprendre la main de l’estimation ou de la mesure de la position lors des changements de mode moteur commandé / moteur rotation libre / basse vitesse, et imposent de maîtriser les transitions entre ces modes. Ces transitions impliquent des temps de reprise du contrôle non négligeable et des transitoires induites par la nécessité de convergence de chacun des systèmes au changement de mode.
Ce phénomène est visible au niveau du système contrôlé, (temps de latence à la réponse d’un ordre du pilote, dépassement). Or dans le cas de systèmes moteurs utilisés pour une propulsion électrique, dans certaines phases de vols, descente et croisière notamment, le contrôle moteur doit répondre à des changements de mode fréquents, mode moteur commandé et mode moteur rotation libre notamment, et les solutions connues ne permettent pas de gérer de manière continue ces changements de mode. De même dans le cas d’un mode de type freinage par court-circuit des phases de la machine synchrone, la mesure ne peut plus prendre en compte les tensions de commande ou mesurées.
Le domaine d’application concerne notamment les machines tournantes ou moteurs de plusieurs dizaines KW à centaines de KW avec plusieurs paires de pôles pour le contrôle de leur rotation. Un problème supplémentaire est que dans le cas d’un moteur avec dix secteurs électriques sur les 360° de l’arbre moteur, les dix secteurs sont eux-mêmes subdivisés en 360° électrique ce qui impose une précision angulaire très supérieure à la précision mécanique d’un capteur optique ou autre.
Au vu de l’art antérieur la présente divulgation concerne un dispositif de contrôle de la rotation d’une machine tournante synchrone à aimants permanents, ou moteur sans balais, et un procédé d’estimation de position angulaire du rotor d’une telle machine offrant une disponibilité de l’information de position de ce rotor sur l’ensemble des modes opératoires de la machine et de l’onduleur pilotant cette machine, ceci sans perte d’information aux transitions entre modes. Le dispositif de contrôle selon la présente invention se comporte alors comme un dispositif pourvu d’un capteur de position virtuel.
Pour ce faire, la présente divulgation propose plus précisément une machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents, pourvue d’un dispositif de contrôle comportant un calculateur de commande d’un onduleur de pilotage des phases de ladite machine, pour laquelle ledit calculateur comporte un module estimateur de vitesse et de position angulaire du rotor de ladite machine pourvu à son entrée d’un module sélecteur d’entrées, recevant des données numériques de tensions, ledit module sélecteur d’entrées étant piloté par une commande (SEL) de mode de fonctionnement de ladite machine, ledit module sélecteur d’entrées étant configuré pour sélectionner :
  1. - des entrées de données représentatives des tensions de commande Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd triphasées des phases A, B, C de l’onduleur, en mode de fonctionnement alimenté de ladite machine ;
  2. - des entrées de données représentatives de tensions mesurées Va_mes, Vb_mes, Vc_mes triphasées des phases A, B, C de ladite machine, en mode rotation libre,
  3. - des entrées de données de tensions forcées à zéro, en mode de mise en court-circuit des phases de ladite machine ;
comme données d’entrée du module estimateur de vitesse et de position angulaire de ladite machine.
Ce dispositif à sélecteur d’entrée permet de conserver le même algorithme d’estimation de la position électrique durant les 3 modes de fonctionnement et d’éviter ainsi l’activation et la convergence d’un nouvel estimateur lors des transitions entre modes.
Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants correspondent à des modes de réalisation pouvant être mises en œuvre indépendamment les uns des autres ou en combinaison les uns avec les autres:
Les données représentatives de tensions mesurées sont avantageusement des données de type tensions diphasées Vα1 et Vβ1 d’un modèle diphasé dans un repère statorique calculées au moyen d’une deuxième transformée de Clarke à partir des tensions mesurées Va_mes, Vb_mes, Vc_mes.
L’utilisation d’un repère diphasé simplifie les calculs.
Le module estimateur de vitesse et de position angulaire peut comporter une fonction de boucle à verrouillage de phase pour obtenir une convergence des calculs.
Ce module peut en outre comporter :
  1. un sous module de matrice de Park inverse P(-θ) recevant en entrée, outre les données de tensions issues du module sélecteur, des données de courants Iα et Iβ calculés à partir des courants Ia, Ib, Ic des phases de ladite machine au moyen d’une troisième transformée de Clarke, ledit sous module de matrice de Park inverse fournissant des tensions Vδ, Vγ et des courants Iδ,Iγ dans un repère tournant rotorique d’estimation δ, γ ,
  2. un sous module estimateur de force contre électromotrice FEM EST donnant des valeurs de force contre électromotrice Eδ, Eγ dans ledit repère tournant d’estimation,
  3. un sous module estimateur de vitesse SP EST ayant comme donnée de sortie une vitesse estimée, rebouclé sur le sous module estimateur de force contre électromotrice FEM EST, et un sous module estimateur d’angle ANGLE EST, ledit module estimateur de vitesse et d’angle ayant comme données de sortie une vitesse estimée SE et un angle estimé AE du rotor de ladite machine.
l’angle estimé AE est distribué dans un premier module fonction mathématique de calcul
d’une part, d’un courant de correction Iγ1fbà partir des courants Ia, Ib, Ic mesurés en sortie de l’onduleur, ledit courant Iγ1fbétant reçu sur une seconde entrée d’un premier comparateur recevant sur sa première entrée un courant calculé de consigne Iγ1c, ledit premier comparateur étant disposé en entrée d’un premier module de contrôle de courant Iγ dont la sortie se retrouve en entrée d’un second module fonction mathématique de calcul des tensions de commandes Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd de l’onduleur et,
d’autre part d’un courant de correction Iδ1fbà partir des courants Ia, Ib, Ic mesurés en sortie de l’onduleur, ledit courant Iδ1fbétant reçu sur une seconde entrée d’un troisième comparateur recevant sur sa première entrée un courant calculé de consigne Iδ1c, ledit troisième comparateur étant disposé en entrée d’un deuxième module de contrôle de courant dont la sortie se retrouve en entrée du second module fonction mathématique de calcul des tensions de commandes Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd de l’onduleur.
La vitesse estimée SE peut être transmise à une seconde entrée d’un deuxième comparateur, à l’entrée d’un module contrôleur de vitesse, ledit deuxième comparateur ayant comme première entrée une vitesse de consigne SC et ledit module contrôleur de vitesse étant raccordé à un module de calcul de point de fonctionnement fournissant lesdits courants de consigne Iγ1Cet Iδ1c.
Les données de tension Vα2 et Vβ2 sont préférablement issues du second module fonction mathématique.
Lesdites données représentatives de tensions de commande sont avantageusement des données de type tensions diphasées Vα2 et Vβ2 d’un modèle diphasé dans un repère statorique correspondant à une première transformée de Clarke des tensions de commande Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd triphasées.
Là aussi le repère diphasé permet de simplifier les calculs.
La présente divulgation propose en outre un procédé d’estimation de la position électrique d’une machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents, commandée par un dispositif de contrôle décrit ci-dessus qui comporte une sélection de données d’entrée de tensions en fonction du mode de fonctionnement de ladite machine entre :
  1. les tensions de commande de ladite machine telles qu’appliquées par un onduleur de pilotage de ladite machine en fonctionnement moteur ;
  2. les tensions phase-phase du stator mesurées en sortie de l’onduleur en mode roue-libre de l’onduleur lesdites tensions étant représentatives de la force contre-électromotrice de ladite machine ;
  3. des tensions nulles en mode de fonctionnement de mise en court-circuit des phases de la machine par l’onduleur en mode freinage de la machine ;
ladite sélection fournissant des données de tension pour un algorithme de calcul d’angle estimé AE et de vitesse estimée SE de ladite machine au niveau dudit module estimateur de vitesse et de position angulaire de ladite machine.
Le procédé permet notamment d’estimer la position électrique (Pos_elec_est) du moteur ou machine tournante triphasée à aimant permanent (PMSM) à partir de sa Force Contre-Electromotrice (FCEM), en mode de rotation libre, avec une méthode d’extraction de la position électrique à partir de la FCEM (BEMF based position estimator en anglais).
Ledit algorithme de calcul est avantageusement un algorithme de type boucle à verrouillage de phase.
Ledit angle estimé AE et ladite vitesse estimée SE sont avantageusement utilisés comme données de correction de calculs de vitesse de rotation de la machine synchrone et de calculs de courants et de tensions de pilotage dudit onduleur de pilotage des phases de ladite machine au niveau dudit dispositif de contrôle.
Le pilotage du moteur peut être réalisé en vitesse ou en couple.
Selon un autre aspect, il est proposé un programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre de tout ou partie d’un procédé tel que défini dans les présentes lorsque ce programme est exécuté par un processeur.
Selon un autre aspect de l’invention, il est proposé un support d’enregistrement non transitoire, lisible par un ordinateur, sur lequel est enregistré un tel programme.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non limitatifs, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
montre une vue schématique d’un exemple de système de commande d’un moteur synchrone sans balais en vitesse selon la présente divulgation;
montre un exemple de réalisation d’un module de sélection et d’un estimateur de vitesse et de position angulaire applicable à l’invention;
montre une vue schématique d’un exemple de système de commande d’un moteur synchrone sans balais en couple selon la présente divulgation.
Les dessins et la description ci-après contiennent des éléments pouvant non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
La présente divulgation concerne un dispositif de contrôle d’une machine synchrone à aimants permanents à au moins trois phases appelée aussi moteur électrique synchrone sans balais à aimants permanents piloté par une commande à au moins trois phases abrégé ici en « moteur », et un procédé d’estimation de la position d’un rotor de la machine synchrone comme représentée en , le dispositif étant adapté pour réaliser une sélection de voies de mesures en sorte de réaliser un capteur de position virtuel. Le dispositif et le procédé sont intégrés dans une chaine électronique de contrôle d’un onduleur 30 alimentant la machine. Le procédé est avantageusement implémenté dans un calculateur 100 de l’électronique de contrôle de l’onduleur.
Les machines concernées sont des machines électriques de plusieurs dizaines KW à plusieurs centaines de KW, comportant plusieurs paires de pôles qui nécessitent pour leur contrôle une connaissance de l’angle électrique sur 360°. Par exemple pour 10 secteurs qui font 360° électrique la précision nécessaire est très supérieure à la précision de l’angle de rotation mécanique de la machine.
Le système selon la correspond à une commande en vitesse du moteur et se compose en premier lieu d’un ensemble de composant physiques:
  1. D’une machine synchrone à aimants permanents 40 ;
  2. D’un onduleur 30 générateur de tensions triphasées de commande de la machine;
  3. D’une électronique de contrôle 100 hébergeant un logiciel de commande de l’onduleur pour générer les tensions et courants de pilotage de la machine;
  4. D’un ensemble de capteurs de courant Ia, Ib, Ic et de tensions Va_mes, Vb_mes, Vc_mes sur les phases a, b, c reliant l’onduleur à la machine.
Le système comporte des données d’entrée issues par exemple d’un calculateur de vol et qui fournit comme données une vitesse de consigne SC et un une commande de sélection SEL d’un module de sélection comme il sera vu plus bas.
Le système comporte en outre, dans le logiciel de pilotage de la machine, un algorithme de détermination de la position du rotor selon le procédé de la présente divulgation pour générer les tensions de commande de la machine au niveau de l’onduleur dans les modes de fonctionnement de la machine, y compris un mode haute impédance selon lequel l’onduleur n’impose pas de tension sur lesdites phases et un mode court-circuit pour lequel l’onduleur met en court-circuit au moins certaines des phases de la machine.
Dans le cas d’une machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents, de propulsion d’un aéronef, le procédé de détermination de la position du rotor de la machine 40 est utilisé dans l’ensemble des phases de vol. Parmi ces phases, nous pouvons citer de manière non exhaustive:
  1. Décollage,
  2. Croisière,
  3. Descente,
  4. Rotation libre dite « wind milling » en anglais.
Le procédé de détermination de la position d’un rotor d’une machine synchrone de la présente divulgation nécessite en données d’entrée, en fonction des modes de fonctionnement de la machine synchrone, l’acquisition des courants Ia, Ib, Ic transitant entre l’onduleur et la machine, des tensions en sortie d’onduleur Va_mes, Vb_mes, Vc_mes de même que l’acquisition des tensions de commande de l’onduleur Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd et fournit en sortie une information de position angulaire électrique AE et vitesse SE du rotor pour les algorithmes classiques de contrôle de la machine tels que pilotage du courant d’alimentation ou pilotage de la vitesse de rotation.
La propose un dispositif de contrôle de l’onduleur 30 de pilotage de la machine synchrone 40 en vitesse, qui comporte un calculateur 100 pour piloter les phases de l’onduleur alimentant la machine synchrone.
Plus précisément, l’électronique de contrôle comporte selon la plusieurs blocs de fonctions implémentées dans un calculateur de commande, ces blocs de fonction comportant un contrôleur de vitesse SP CONT 102, un premier contrôleur de courant Iγ CONT 104 un deuxième module de contrôle de courant Iδ CONT 107, la sortie de ces contrôleurs de courant étant raccordée à un premier module de transformation mathématiques 105 de type T32+rotation permettant générer les tensions de commande Va_cmd, Vb_cmd et Vc_cmd que l’onduleur doit appliquer au moteur et de de transformer ces tensions de commande Va_cmd, Vb_cmd et Vc_cmd en tensions de commande Vα2 et Vβ2 dans un repère tournant diphasé α - β statorique, un bloc d’estimation de vitesse et d’angle SP & ANGLE EST 10 qui va donner les estimations de vitesse SE et d’angle AE utilisés dans les boucles de rétroaction desdits contrôleurs de vitesse et de courant.
L’algorithme correspondant au bloc d’estimation de vitesse algorithme comporte une boucle d’estimation de la fem machine capable de fonctionner à la fois :
  1. sur la base des tensions triphasées appliquées par l’onduleur en découpage actif en fonctionnement de régulation sans capteur (mode dit sensorless en anglais) en mode moteur ou générateur ;
  2. sur la base des mesures des tensions phase-neutre Va_mes, Vb_mes et Vc_mes du stator en mode rotation libre avec l’onduleur en mode circuit ouvert ;
  3. sur la base de tensions Va, Vb, Vc fixes nulles en cas de mise en court-circuit actif par l’onduleur ;
  4. sur la base des tensions appliquées par l’onduleur en fonctionnement de régulation avec un capteur de position non suffisant pour l’entrainement mais suffisant en mode moteur ou générateur pour gérer les phases de démarrage) ;
  5. sur la base des tensions appliquées par l’onduleur Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd en fonctionnement de régulation en boucle ouverte sur l’information de position (démarrage en rampe d’accélération).
Le mode générateur correspond à un contrôle compatible du freinage pour lequel on a un couple négatif avec une vitesse positive.
Le procédé comporte deux blocs majeurs :
Un bloc de sélection 1 des informations de tension des phases moteur reçues via des canaux différents: tensions Vα2 et Vβ2 issues des tensions de commandes Va_cmd, Vb_cmd et Vc_cmd, tensions Vα1 et Vβ1 issues d’une mesure de tension Va_mes, Vb_mes et Vc_mes ou encore tensions Vα0=Vβ0 forcés à 0 et ce suivant les modes de fonctionnement.
Ce bloc de sélection est commandé par la commande SEL issue du calculateur de vol non représenté, cette commande étant représentative du mode de fonctionnement de l’onduleur piloté pour sa part par une commande SEL’.
L’estimateur de la vitesse et de la position angulaire SP&ANGLE EST 10 du moteur utilise les informations « courant/tension » avec les tensions sélectionnées au niveau du module de sélection et les valeurs de courants sur les phases lorsque l’onduleur pilote les phases, les tensions mesurées sur les phases moteur en mode roue libre ou les courants des phase uniquement en mode court-circuit des phases.
Pour la partie de traitement de l’information « courant/tension », le procédé sans capteur nécessite de connaître en permanence les tensions appliquées au moteur et les courants injectés dans le moteur.
Comme vu plus haut, dans le cas d’une commande par l’onduleur, les tensions sont avantageusement les tensions de commande de l’onduleur Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd pour que la mesure ne soit pas affectée par le découpage de la tension créé par l’onduleur.
En effet, en cas de commande active de l’onduleur la mesure des tensions des phases moteur est difficilement réalisable car la tension appliquée est modulée à haute fréquence par le découpage de l’onduleur.
Dans le cas de la rotation libre pour laquelle la commande de l’onduleur est en haute impédance, la solution est d’utiliser les mesures de tension Va_mes, Vb_mes & Vc_mes. Dans ce mode de fonctionnement, la commande en modulation de largeur d’impulsion du moteur n’opère plus, les tensions de commandes ne sont plus disponibles, les tensions de FCEM machine sont donc directement disponibles.
Dans le cas du court-circuit, lorsque l’onduleur applique un court-circuit sur le moteur, les tensions considérées pour l’estimateur ne sont pas mesurées, mais forcées à Va=Vb=Vc=0V.
Dans ce mode de fonctionnement, la commande MLI du moteur n’opère plus non plus, seul les courants dans les phases sont mesurés.
La solution de la présente divulgation est ainsi de sélectionner les entrées en tension au niveau du module logiciel ou physique de sélection 1 en fonction du mode opératoire de l’onduleur défini avec la logique suivante:
{
Si moteur en court-cicuit ( SC_cmd =1), alors les tensions d’entrée sont nulles (0V).
Sinon,
Si moteur en circuit ouvert ( OC_cmd =1),
alors les tensions mesurées sont utilisées (Va_mes, Vb_mes & Vc_mes ).
Sinon, les tensions de commande sont utilisées ( Va_cmd , Vb_cmd & Vc_cmd ).
}
Dans le mode de réalisation représenté plus particulièrement à la , un prétraitement est réalisé sur les tensions triphasées pour les transformer en tensions diphasées par des modules logiciels de transformées de Clarke, aussi appelées transformées de Concordia, T32, transformée 3 pour transformer les tensions Va_mes, Vb_mes et Vc_mes en tensions diphasées Vα1, Vβ1 dans un repère lié au stator, et transformée 2 pour les tensions Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd pour donner des tensions Vα2, Vβ2 dans ledit repère lié au stator. Ce sont alors ces tensions diphasées qui sont utilisées au niveau du module de sélection 1 pour fournir au module estimateur de vitesse et de position angulaire 10 des tensions Vα, Vβ permettant de calculer la vitesse estimée et l’angle estimé du moteur.
Les courants Ia, Ib, Ic sont traités de la même manière par une transformée de Clarke T32 4 afin d’avoir des courants Iα, Iβ et tensions Vα, Vβ soient dans le même repère.
Le module estimateur de vitesse et de position angulaire 10 comporte en premier lieu un module de matrice de Park inverse 5 symbolisée P(-θ) qui transforme les tensions Vα, Vβ et courants Iα, Iβ du repère statorique en tensions Vδ, Vγ et courants Iδ, Iγ dans un repère lié au rotor.
Ces tensions et courants sont utilisés comme données d’entrée d’un module d’estimation de force électromotrice (ou contre électromotrice selon le référentiel choisi vu côté machine ou vu côté onduleur) de la machine dans une boucle de type boucle à verrouillage de phase (PLL) comportant un module de calcul de vitesse estimée SE dont la sortie est réintroduite dans le module d’estimation de la force électromotrice.
L’intérêt du dispositif est de disposer d’une information de position du rotor sur les trois principaux modes de fonctionnement de l’onduleur triphasé, mode modulation de largeur d’impulsions PWM, mode circuit ouvert (roue libre) et mode court-circuit vus depuis la machine selon la consigne donnée par le calculateur de vol au niveau de la commande SEL’. Cette solution permet de conserver le même algorithme d’estimation de la position électrique durant ces trois modes de fonctionnement.
Le calculateur 100 comporte un module estimateur de vitesse et de position angulaire 10 de la machine synchrone pourvu à son entrée d’un module sélecteur d’entrées 1, recevant des données numériques de tensions. Ledit module sélecteur d’entrées est piloté par la commande SEL de sélection de mode de fonctionnement moteur, par exemple issue d’un calculateur de gestion moteur de propulsion d’un aéronef ou autre.
Le module sélecteur d’entrées 1 reçoit :
  1. des entrées de données de tensions Vα2 et Vβ2 d’un modèle diphasé dans un repère statorique correspondant à une première transformée de Clarke 2 des tensions de commande calculées Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd triphasées des phases A, B, C de l’onduleur 30, en mode de fonctionnement alimenté de ladite machine;
  2. des entrées de données de tensions Vα1 et Vβ1 du modèle diphasé dans le repère statorique calculées au moyen d’une deuxième transformée de Clarke 3 à partir des tensions mesurées Va_mes, Vb_mes, Vc_mes triphasées des phases A, B, C de ladite machine, en mode rotation libre du moteur,
  3. des entrées de données de tensions Vα0 et Vβ0 du modèle diphasé forcées à zéro, en mode de mise en court-circuit des phases de ladite machine ;
Les données correspondant au mode de fonctionnement du moteur sont transmises comme données d’entrée du module estimateur de vitesse et de position angulaire 10.
Dans la , les données Vα2 et Vβ2 du modèle diphasé dans le repère statorique et correspondant aux tensions de commande calculées sont issues du module de transformation mathématique 105 qui fournit également les tensions Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd.
De retour à la , le module estimateur de vitesse et de position angulaire 10 comporte une fonction de boucle à verrouillage de phase dite PLL.
Ce module estimateur comporte un sous module de matrice de Park inverse P(-θ) 5 qui reçoit en entrée, outre les données de tensions issues du module sélecteur, des données de courants Iα et Iβ calculés à partir des courants Ia, Ib, Ic des phases de ladite machine au moyen d’une troisième transformée de Clarke 4. Ce sous module de matrice de Park inverse fournissant des tensions Vδ, Vγ et des courants Iδ, Iγ dans un repère tournant d’estimation δ - γ lié au rotor de la machine synchrone.
Le module estimateur 10 comporte sous module estimateur de force électromotrice FCEM EST 6 qui calcule des valeurs de force contre électromotrice Eδ, Eγ dans ledit repère tournant d’estimation.
Le module estimateur 10 comporte ensuite un sous module estimateur de vitesse SP EST 7 ayant comme donnée de sortie une vitesse estimée SE.
Pour réaliser la boucle à verrouillage de phase, la vitesse estimée SE, est réintroduite comme donnée de correction dans le sous module estimateur de force électromotrice FEM EST 6.
Enfin, le module estimateur 10 comporte un sous module estimateur d’angle ANGLE EST 8.
Les données de sortie du module estimateur de vitesse et d’angle 10 sont une vitesse estimée SE et un angle estimé AE du rotor de ladite machine.
De retour à la , l’angle estimé AE sert au calcul d’un courant de correction Iδ1fbà partir des courants Ia, Ib, Ic mesurés en sortie de l’onduleur et au calcul des courants Iα et Iβ dans un premier module fonction mathématique T32 + transformée rotationnel Math Trans 106. Ce courant de correction Iδ1fbet un courant de consigne Iγ1Csont comparés au niveau d’un premier comparateur 103. Le résultat de la comparaison est transmis en entrée d’un premier module de contrôle de courant Iγ CONT 104. La sortie de ce dernier et la sortie du deuxième module de contrôle de courant Iδ1 CONT 107 sont utilisées en entrée d’un module de transformation mathématique 105 de type T32 + transformée rotationnelle ayant aussi l’angle estimé AE comme entrée et qui va générer les tensions de commande Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd triphasées et leurs transformées diphasées Vα2 et Vβ2 .
Dans cet exemple les tensions diphasées Vα2 et Vβ2 sont transmises au module de sélection 1.
La vitesse estimée SE issue du module estimateur de vitesse et de position angulaire 10 est transmise à une seconde entrée d’un deuxième comparateur 101 en entrée d’un module contrôleur de vitesse 102 qui est transmis à un module OPF (operating point function en anglais) 109 de calcul de point de fonctionnement qui reçoit d’autre part la mesure de tension continue HDVC_M de la ligne d’alimentation de l’onduleur. Ce module fournit les courants de consigne Iδ1Cet Iγ1C. Le courant calculé de consigne Iγ1Cest transmis à une première entrée du premier comparateur 103 vu précédemment et le courant calculé Iδ1C est transmis à un troisième comparateur 108.
A partir de l’angle estimé AE et des courants de phase, le module de transformée Math trans 106 fournit aussi le courant de correction Iδ1fbdu repère diphasique rotorique qui va être comparé avec le courant de consigne Iδ1Cau niveau d’un troisième comparateur 108 dont la sortie est transmise en entrée du deuxième module de contrôle de courant Iδ CONT. 107.
En dehors de conversions analogiques/numériques sur les signaux de tension et de courant mesurés sur les phases entre l’onduleur et la machine synchrone, les calculs et transformations sont préférablement réalisées par logiciel dans le calculateur 100 par exemple de type microcontrôleur qui comporte traditionnellement pour ce faire des entrées sorties analogiques et numériques, des convertisseurs analogique/numérique et éventuellement numérique/analogique, une ou plusieurs sorties numériques par exemple pour les signaux de commande du convertisseur 30, de la mémoire programme, mémoire morte ou reprogrammable, de la mémoire données notamment mémoire vive, une horloge et les divers composants nécessaires à son fonctionnement.
La présente divulgation concerne en outre un procédé d’estimation de la position électrique d’une machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents 40 implémenté dans le calculateur 100 et qui comporte une sélection de données d’entrée de tensions en fonction du mode de fonctionnement de ladite machine entre :
  1. Les tensions de commande de ladite machine telles qu’appliquées par l’onduleur 30 de pilotage de ladite machine en fonctionnement moteur ;
  2. Les tensions phase-neutre du stator mesurées en sortie de l’onduleur 30 en mode roue-libre de l’onduleur lesdites tensions étant représentatives de la force contre-électromotrice de ladite machine ;
  3. Des tensions nulles en mode de fonctionnement de mise en court-circuit des phases de la machine 40 par l’onduleur 30 en mode freinage de la machine ;
ladite sélection fournissant des données de tension pour un algorithme de calcul d’angle estimé AE et de vitesse estimée SE de ladite machine.
Ce procédé est implémenté dans le calculateur 100 qui constitue, avec son programme d’implémentation du procédé, le dispositif de la présente divulgation.
L’algorithme de calcul d’angle estimé AE et de vitesse estimée SE peut notamment être un algorithme de type boucle à verrouillage de phase dit PLL.
Dans l’exemple, ledit angle estimé AE et ladite vitesse estimée SE sont utilisés comme données de correction de calculs de vitesse de rotation de la machine synchrone et de calculs de courants et de tensions de pilotage d’un onduleur d’alimentation de ladite machine.
Le procédé de la présente divulgation permet notamment d’estimer la position électrique (Pos_elec_est) du moteur ou machine tournante triphasée à aimant permanent (PMSM) à partir de sa Force Contre-Electromotrice (FCEM), en mode de rotation libre, avec une méthode d’extraction de la position électrique à partir de la FCEM (BEMF based position estimator en anglais). Une telle méthode est connue par exemple dans le document N. Matsui and Shigyo. "Brushless DC motor without position and speed sensors," IEEE Trans. on Ind. Applications, vol. 28, no. 1, pp. 120-127, janvier/février 1992. L’utilisation de la FCEM est possible pour les machines synchrones qui tournent à haute vitesse et fournissent donc une FCEM élevée.
La correspond à une variante pour laquelle le moteur est commandé en couple et dans ce cas le dispositif comporte un module de transformation couple/courant 110 en entrée du module de calcul de point de fonctionnement 109 qui reçoit aussi la mesure de mesure de tension continue de la ligne d’alimentation de l’onduleur pour calculer les courants de consigne.
L’invention peut trouver à s’appliquer notamment à des systèmes a machine synchrones utilisés en traction ou en propulsion pour des véhicules terrestres, nautiques ou aériens à propulsion électrique ou pour des systèmes à machines synchrones statiques comme des moteurs d’entraînement de dispositifs industriels.
L’invention ne se limite pas aux exemples décrits ci-avant, seulement à titre d’exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l’homme de l’art dans le cadre de la protection recherchée, le calculateur pouvant par exemple être réalisé en plusieurs parties séparées munies chacune d’un microcontrôleur dédié, ou être intégré dans l’onduleur.

Claims (14)

  1. Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents (40), pourvue d’un dispositif de contrôle comportant un calculateur (100) de commande d’un onduleur (30) de pilotage des phases de ladite machine, caractérisé en ce que ledit calculateur comporte un module estimateur de vitesse et de position angulaire (10) du rotor de ladite machine pourvu à son entrée d’un module sélecteur d’entrées (1), recevant des données numériques de tensions, ledit module sélecteur d’entrées étant piloté par une commande (SEL) de mode de fonctionnement de ladite machine, ledit module sélecteur d’entrées étant configuré pour sélectionner :
    1. des entrées de données représentatives des tensions de commande Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd triphasées des phases A, B, C de l’onduleur (30), en mode de fonctionnement alimenté de ladite machine,
    2. des entrées de données représentatives de tensions mesurées Va_mes, Vb_mes, Vc_mes triphasées des phases A, B, C de ladite machine, en mode rotation libre,
    3. des entrées de données de tensions forcées à zéro, en mode de mise en court-circuit des phases de ladite machine,
    comme données d’entrée du module estimateur de vitesse et de position angulaire de ladite machine.
  2. Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents selon la revendication 1 pour lequel lesdites données représentatives de tensions mesurées sont des données de type tensions diphasées Vα1 et Vβ1 d’un modèle diphasé dans un repère statorique calculées au moyen d’une deuxième transformée de Clarke (3) à partir des tensions mesurées Va_mes, Vb_mes, Vc_mes.
  3. Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents selon la revendication 1 ou 2, pour lequel le module estimateur de vitesse et de position angulaire (10) comporte une fonction de boucle à verrouillage de phase et comporte :
    1. un sous module de matrice de Park inverse P(-θ) (5) recevant en entrée, outre les données de tensions issues du module sélecteur, des données de courants Iα et Iβ calculés à partir des courants Ia, Ib, Ic des phases de ladite machine au moyen d’une troisième transformée de Clarke (4), ledit sous module de matrice de Park inverse fournissant des tensions Vδ, Vγ et des courants Iδ,Iγ dans un repère tournant d’estimation δ, γ ,
    2. un sous module estimateur de force contre électromotrice (6) donnant des valeurs de force contre électromotrice Eδ, Eγ dans ledit repère tournant d’estimation,
    3. un sous module estimateur de vitesse (7) ayant comme donnée de sortie une vitesse estimée, rebouclé sur le sous module estimateur de force contre électromotrice (6), et un sous module estimateur d’angle (8), ledit module estimateur de vitesse et d’angle ayant comme données de sortie une vitesse estimée SE et un angle estimé AE du rotor de ladite machine.
  4. Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents selon la revendication 3, pour lequel l’angle estimé AE est distribué dans un premier module fonction mathématique (106) de calcul
    d’une part d’un courant de correction Iγ1fb à partir des courants Ia, Ib, Ic mesurés en sortie de l’onduleur, ledit courant Iγ1fbétant reçu sur une seconde entrée d’un premier comparateur (103) recevant sur sa première entrée un courant calculé de consigne Iγ1c, ledit premier comparateur (103) étant disposé en entrée d’un premier module de contrôle de courant (104) dont la sortie se retrouve en entrée d’un second module fonction mathématique (105) de calcul des tensions de commandes Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd de l’onduleur (30) et,
    d’autre part d’un courant de correction Iδ1fbà partir des courants Ia, Ib, Ic mesurés en sortie de l’onduleur, ledit courant Iδ1fbétant reçu sur une seconde entrée d’un troisième comparateur (108) recevant sur sa première entrée un courant calculé de consigne Iδ1c, ledit troisième comparateur (108) étant disposé en entrée d’un deuxième module de contrôle de courant (107) dont la sortie se retrouve en entrée du second module fonction mathématique (105) de calcul des tensions de commandes Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd de l’onduleur (30).
  5. Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents selon la revendication 4, pour lequel la machine est commandée en vitesse et pour lequel la vitesse estimée SE est transmise à une seconde entrée d’un deuxième comparateur (101), à l’entrée d’un module contrôleur de vitesse (102), ledit deuxième comparateur ayant comme première entrée une vitesse de consigne SC et ledit module contrôleur de vitesse (102) étant raccordé à un module de calcul de point de fonctionnement (109) fournissant lesdits courants de consigne Iγ1Cet Iδ1c.
  6. Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents selon la revendication 4, pour lequel la machine est commandée en couple, et pour lequel le dispositif comporte un module de transformation couple/courant (110) en entrée d’un module de calcul de point de fonctionnement (109) fournissant lesdits courants de consigne Iγ1Cet Iδ1c.
  7. Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents selon la revendication 5 ou 6, pour lequel les données de tension Vα2 et Vβ2 sont issues du second module fonction mathématique (105).
  8. Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 pour lequel lesdites données représentatives de tensions de commande sont des données de type tensions diphasées Vα2 et Vβ2 d’un modèle diphasé dans un repère statorique correspondant à une première transformée de Clarke (2) des tensions de commande Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd triphasées.
  9. Procédé d’estimation de la position électrique d’une machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents (40), commandée par un dispositif de contrôle selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu’il comporte une sélection de données d’entrée de tensions en fonction du mode de fonctionnement de ladite machine entre :
    1. les tensions de commande de ladite machine telles qu’appliquées par un onduleur (30) de pilotage de ladite machine en fonctionnement moteur,
    2. les tensions phase-phase du stator mesurées en sortie de l’onduleur (30) en mode roue-libre de l’onduleur lesdites tensions étant représentatives de la force contre-électromotrice de ladite machine,
    3. des tensions nulles en mode de fonctionnement de mise en court-circuit des phases de la machine (40) par l’onduleur (30) en mode freinage de la machine,
    ladite sélection fournissant des données de tension pour un algorithme de calcul d’angle estimé AE et de vitesse estimée SE de ladite machine au niveau dudit module estimateur de vitesse et de position angulaire de ladite machine.
  10. Procédé d’estimation selon la revendication 9, pour laquelle ledit algorithme de calcul est un algorithme de type boucle à verrouillage de phase.
  11. Procédé d’estimation selon la revendication 9 ou 10, pour laquelle ledit angle estimé AE et ladite vitesse estimée SE sont utilisés comme données de correction de calculs de vitesse de rotation de la machine synchrone et de calculs de courants et de tensions de pilotage dudit onduleur (30) de pilotage des phases de ladite machine au niveau dudit dispositif de contrôle.
  12. Procédé d’estimation selon l’une quelconque des revendications 9 à 11 pour lequel le pilotage du moteur est réalisé en vitesse ou en couple.
  13. Programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé de l’une quelconque des revendications 9 à 12 lorsque ce programme est exécuté par un processeur.
  14. Support d’enregistrement non transitoire, lisible par un ordinateur, sur lequel est enregistré le programme de la revendication 13.
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