WO2022078778A1 - Procede et systeme de controle d'une machine electrique determinant des consignes de courant optimales - Google Patents

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WO2022078778A1
WO2022078778A1 PCT/EP2021/077112 EP2021077112W WO2022078778A1 WO 2022078778 A1 WO2022078778 A1 WO 2022078778A1 EP 2021077112 W EP2021077112 W EP 2021077112W WO 2022078778 A1 WO2022078778 A1 WO 2022078778A1
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electric machine
current
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operating
threshold
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PCT/EP2021/077112
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Inventor
Ismail ZEIN
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IFP Energies Nouvelles
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/22—Current control, e.g. using a current control loop

Definitions

  • the present invention relates to the field of controlling electrical machines, in particular synchronous electrical machines, in particular synchro-reluctant electrical machines assisted by permanent magnets. It is known to have recourse to rotating electric machines such as synchronous electric machines with permanent magnets or synchro-reluctant machines, in particular synchro-reluctant machines assisted by permanent magnets. Such electric machines are, for example, used in the field of propulsion, for example for the generation of motor torques on board a vehicle, such as a motor vehicle.
  • Document FR 3051296 A1 describes, for example, a synchro-reluctant machine assisted by permanent magnets.
  • a method for controlling such an electric machine generally includes the calculation of so-called “direct” and “quadrature” currents and voltages (also called “quadratic”), which are currents and voltages expressed in a rotating frame linked to the rotor, and the implementation of two controls, one relating to the so-called “direct” quantities, and the other relating to the so-called “quadrature” quantities, in order to determine the voltages to be applied to each phase of the machine rotating. Therefore, determining the referential, direct and quadrature components of the stator current is a crucial step at this level, in order to guarantee an optimal level of performance of the electrical machine.
  • the complexity of determining the reference current depends in fact on the nature of the machine used: - For a synchronous machine with smooth poles, the direct and quadratic components of the current can be obtained in a linear and direct manner from the torque requested , and - For other machines, such as synchro-reluctant machines, obtaining the reference components of the stator current requires more sophisticated and more complex methods.
  • PRIOR ART The choice of a method for determining the forward and quadrature current setpoints takes into account the desired level of performance and the volume of calculation in real time; subject that has been widely treated by the industrial and academic literature.
  • the Maximum Torque Per Ampere (MTPA) method which can be translated as maximum torque per ampere) which determines the direct (Id) and quadrature (Iq) components of the current by an optimal solution of the angle of the stator current vector. It is used when the magnitude of the voltage is below the maximum threshold.
  • a defluxing phase (we call defluxing the decrease in flux to increase the speed of rotation of the electrical machine beyond its nominal value without increasing the supply voltage), by feedback of the error on the amplitude of the reference voltage, is integrated when the voltage exceeds the maximum threshold.
  • the inductances of the electric machine are assumed to be independent of the current components Id and Iq, which does not make it possible to obtain optimum current components for all types of electric machines.
  • the current components Id and Iq are determined by the MTPA method with insertion of a defluxing phase via data tables.
  • the tension angle is matched by a torque regulator that uses a desired value and a torque estimator.
  • the use of simple data tables does not always make it possible to obtain an optimum control setpoint for the electrical machine.
  • the object of the present invention is to control an electrical machine, by determining, in real time, optimum current setpoints for all types of electrical machines.
  • the invention relates to a method for controlling an electric machine, in which an operating zone of the electric machine is determined, and current setpoints of the electric machine are determined by means of a recursive algorithm which solves a system of optimization equations with voltage and current constraints which depends on the area of operation and on a model of the electric machine adapted to operation under constraints.
  • the recursive algorithm allows real-time control without the use of tables or mapping.
  • the determination of the operating zone makes it possible to adapt the current setpoints to the operating constraints of the electric machine, and thus makes it possible to obtain an optimal level of performance of the electric machine.
  • the invention relates to a method for controlling an electric machine, in which a threshold is defined for at least one operating variable of said electric machine, and in which the following steps are implemented: a. A dynamic model of said electric machine is constructed, which links the torque of said electric machine to the currents of said electric machine; b. At least two operating zones of said electric machine delimited by said threshold are defined for said at least one operating variable; And the following steps are implemented in real time: c. A torque setpoint of said electric machine and said at least one operating variable of said electric machine are determined; d. The operating zone of said electric machine is identified as a function of said at least one operating variable and of said torque setpoint of said electric machine; e.
  • Current setpoints of said electric machine are determined as a function of said torque setpoint by means of a recursive algorithm which solves a system of equations which depends on said identified operating zone and on said dynamic model of said electric machine; f.
  • Said electrical machine is controlled by means of said determined current setpoints.
  • said at least one operating variable is chosen from among the voltage amplitude of said electric machine, the current amplitude of said electric machine, and the speed of rotation of the rotor of said electric machine.
  • At least four operating zones are defined: • A first operating zone for which the current amplitude is lower than a current threshold, and the voltage amplitude is lower than a voltage threshold, • A second zone operating mode for which the current amplitude is greater than or equal to said current threshold, and the voltage amplitude is less than said voltage threshold, • A third operating zone for which the current amplitude is greater than or equal to said threshold current, the voltage amplitude is greater than or equal to said voltage threshold, and the rotational speed of the rotor is lower than the maximum power holding rotational speed of said electric machine, • A fourth operating zone for which the the current amplitude is greater than or equal to said current threshold, the voltage amplitude is greater than or equal to said voltage threshold, and the rotational speed of the rotor is st greater than said maximum power holding rotational speed of said electrical machine.
  • a fifth operating zone is defined for which the current amplitude is less than said current threshold, and the voltage amplitude is greater than or equal to said voltage threshold.
  • said dynamic model of said machine is constructed electrical from the following equations: and with i d , i q : the direct and quadrature components of the stator current of said electric machine, v d , v q ; the direct and quadrature components of the voltage of said stator of said electric machine, ⁇ the flux of the rotor magnets of said electric machine with ⁇ d the direct flux, and ⁇ q the quadrature flux, ⁇ the electric pulsation, R s the stator resistance, L d the direct inductance of said electric machine, L q the quadrature inductance of said electric machine, C em the torque of the electric machine, P is the number of pairs of poles of said machine electric.
  • said recursive algorithm implements, starting from an appropriate initial or previous value, a recursive resolution of Langrange equations of said system of equation, and is written: with X a vector containing the optimal current setpoints and the factors of the contriants of the Lagrange equations of the operating zones, k the time increment, the index y represents the said operating zones, the gradient of the Lagrange equations, Jy,k-1 the Jacobian matrix.
  • said recursive algorithm implements a first-order Newton-Raphson method to develop said Jacobian matrix of said system of equations.
  • said electric machine is a synchronous electric machine, preferably a synchro-reluctant electric machine assisted by permanent magnets.
  • said electric machine is controlled by means of the following steps: i. Voltage setpoints are determined by means of said current setpoints; and ii. An inverter is controlled which controls the supply of said electric machine according to said voltage setpoints.
  • said threshold of said at least one operating variable is defined as a function of constraints of use of said electric machine, such as a maximum or a minimum of said operating variable.
  • the invention relates to a system for controlling an electric machine comprising an inverter provided with switching arms, a computer and a memory configured to implement the steps of the control method according to one of the preceding characteristics for controlling said electrical machine by means of said inverter.
  • FIG. 1 illustrates the steps of the method according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 illustrates several operating zones implemented in an embodiment of the control method according to the invention.
  • FIG. 3 illustrates the method and the control system according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 4 illustrates, for an example, the current setpoints obtained by the method according to one embodiment, as a function of constraints.
  • DESCRIPTION OF EMBODIMENTS The present invention relates to a method and a system for controlling an electric machine.
  • the electric machine can be a synchronous electric machine, preferably a synchro-reluctant electric machine assisted by permanent magnets.
  • the method and the system according to the invention are particularly suitable for this type of electric machine, in particular because the invention makes it possible to take into account the constraints and the operation of all types of machines.
  • the method for controlling an electric machine comprises the following steps: - Definition of a threshold for at least one operating variable of the electric machine, preferably a threshold can be defined for several operating variables of the electric machine, - Construction of a dynamic model of the electric machine, the dynamic model relates the torque of the electric machine to the currents of the electric machine, - At least two operating zones of the electric machine are defined, these zones being delimited by the threshold(s) of at least one operating variable of the electric machine, - In real time, a setpoint of torque of the electric machine, - In real time, the operating variable of the electric machine is determined, preferably, several operating variables of the electric machine can be determined, - In real time, the operating zone in which the electric machine is located according to the determined operating variable(s) and the determined torque setpoint, - In real time, the current setpoints of the electric machine are determined according to the torque setpoint, by putting implements a recursive algorithm which solves a system of equations, the system of equations being constructed by means of
  • the term "current setpoints" designates either the “direct” and “quadrature” current setpoints, or the current norm and the defluxing angle, or any other equivalent representation. currents.
  • the operating variable of the electric machine is called a quantity which characterizes the operation of the electric machine, it may in particular be an electric variable, such as the voltage, the current, or the power of the electric machine, a variable mechanics such as the position, speed or acceleration of the rotor of the electrical machine.
  • the operating variable of the electric machine can be chosen from among the voltage amplitude of the electric machine, the current amplitude of the electric machine, and the speed of rotation of the rotor of the electric machine.
  • the method according to the invention can implement the following three variables: the voltage amplitude of the electric machine, the current amplitude of the electric machine and the rotational speed of the rotor of the electric machine.
  • the term threshold of an operating variable of the electric machine refers to an operating limit of the electric machine linked to the operating variable considered. These thresholds define operating constraints of the electrical machine.
  • Such a threshold can be defined as a function of constraints of use of the electric machine, such as a maximum or a minimum of the operating variable concerned. For example: - when the operating variable is the voltage amplitude of the electric machine, the threshold can be the maximum voltage of the electric machine, - when the operating variable is the current amplitude of the electric machine, the threshold may be the maximum current of the electric machine, - when the operating variable is the rotation speed of the rotor of the electric machine, the threshold may be the maximum power holding rotation speed of the electric machine.
  • These thresholds can be defined from data from the manufacturers of the electrical machine or from data obtained experimentally. Moreover, according to one embodiment of the invention, these thresholds can be defined by taking into account other variable data of the electric machine, and thus these thresholds can vary over time.
  • the thresholds can be constant over time.
  • the maximum voltage may depend on the voltage of the battery which supplies the electric machine, this battery voltage being able to be considered as variable and being able to be measured in real time. For example, we can write the following equation:
  • V smax mV bat with V smax the maximum voltage of the electrical machine, V bat the battery voltage and m the Pulse Width Modulation (PMI) index used.
  • the operating zones of the electrical machine are identified by means of the threshold(s) defined for the operating variable(s) considered. For example, if we consider a single threshold for a single variable, we can identify a first zone for which the operating variable is less than the threshold, and a second zone for which the operating variable is greater than or equal to the threshold.
  • At least four operating zones of the electrical machine can be defined: • A first operating zone for which the current amplitude is less than a current threshold (for example the maximum current), and the voltage amplitude is less than a voltage threshold (for example the maximum voltage), • A second operating zone for which the current amplitude is greater than or equal to the current threshold (for example the maximum current), and the voltage amplitude is less than the voltage threshold (for example the maximum voltage), • A third operating zone for which the current amplitude is greater than or equal to the current threshold (for example the maximum current), the voltage amplitude is greater than or equal to the voltage threshold (for example the maximum voltage), and the rotational speed of the rotor is lower than the rotational speed of maximum power maintenance of said electrical machine, • A fourth operating zone for which the current amplitude is greater than or equal to the threshold of current (e.g.
  • FIG. 1 illustrates, schematically and in a non-limiting way, the four zones listed above. This figure shows three curves of the electric machine, the torque C, the voltage amplitude V, the current amplitude I as a function of the speed of rotation of the rotor ⁇ .
  • the first zone, called zone 1 corresponds to a zone for which the current I is lower than the maximum current I max , and the voltage V is lower than the maximum voltage V max .
  • the second zone corresponds to a zone for which the current I is greater than or equal to the maximum current Imax, and the voltage V is less than the maximum voltage V max .
  • the third zone corresponds to a zone for which the current I is greater than or equal to the maximum current I max , and the voltage V is greater than or equal to the maximum voltage V max , and the rotational speed ⁇ is lower at the maximum power holding rotation speed ⁇ p,max .
  • zone 4 (defluxing zone) corresponds to a zone for which the current I is greater than or equal to the optimum current I opti which is the maximum defluxing current, and the voltage V is greater than or equal to the voltage maximum V max , and the rotational speed ⁇ is greater than or equal to the maximum power holding rotational speed ⁇ p,max Note that these zones make it possible to distinguish the different zones in which the operation of the machine differs due to the operating constraints: at least one of the curves of the torque, of the voltage amplitude, or of the current amplitude is behaves differently when moving from one area to an adjacent area. According to one embodiment of the invention, it is also possible to define a fifth operating zone.
  • the current amplitude is lower than the current threshold and the voltage amplitude is higher within the voltage.
  • the operating variables of the electric machine are determined, the operating zone of the electric machine is deduced therefrom.
  • the operating variables of the electric machine are compared to the defined thresholds of these operating variables to deduce therefrom, in real time, the operating zone (i.e. the current operating zone of electric machine). For the example of FIG. 2, if at a time it is determined that the voltage amplitude is lower than the voltage threshold, and that the current amplitude is greater than the current threshold, then it is considered for this time that the machine is in the second operating zone, zone 2.
  • a dynamic model of the electric machine is constructed, which relates the torque of the electric machine to the currents of the electric machine. Several dynamic models of the electric machine can be considered.
  • This model makes it possible to take into account the variations of the inductance of the electric machine, which can vary in particular according to the direct and quadrature currents. Moreover, such a model makes it possible to take into account the design of the machine by taking into account in particular the resistance of the stator and the flux of the magnets of the rotor.
  • the forward and quadrature inductances can depend on the forward and quadrature currents.
  • This embodiment is particularly suitable for synchro-reluctant machines assisted by permanent magnets.
  • this embodiment is particularly suitable for synchro-reluctant machines assisted by permanent magnets.
  • the forward and quadrature flux components can be respectively .
  • the voltage amplitude can be defined using the following equation: with v mod the voltage amplitude, v d the forward voltage, v q the quadrature voltage.
  • the torque setpoint of the electric machine can be determined in a conventional manner from a request from the user of the electric machine.
  • the torque setpoint can be determined by speed regulation.
  • the method according to the invention implements a recursive solution, preferably a recursive solution of two optimization systems with interlaced constraints as a function of the current, of the voltage and the speed of the electric machine, and integrating the variations of the inductances according to the current components of the stator.
  • the two optimization systems can be obtained by constructing two Lagrange functions integrating the different constraints considered for this method.
  • a recursive algorithm is implemented with a single calculation time step.
  • This algorithm is said to be recursive, because the current setpoints at time k (t k in discrete time) depend on the current setpoints at time k-1 (i.e. time t k-1 discrete previous).
  • This algorithm aims to solve the minimization problem resulting from the system of equations of the determined operating zone, and thus allows an optimal level of performance of the electrical machine.
  • the recursive algorithm preferably uses only the value of the previous time step. This recursive algorithm also has the advantage of not using any data table or cartography to determine the current setpoints.
  • Sys2 a second current optimization system, called Sys2, during which the torque setpoint cannot be achieved, as follows:
  • C em the electromagnetic torque and its setpoint
  • V mod the voltage amplitude
  • ⁇ Cem the desired electromagnetic torque Lagrange factor
  • ⁇ vmax the maximum voltage Lagrange factor of the Sys1 system.
  • FIG. 1 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, the steps of the method according to one embodiment of the invention. First, we determine, in real time, an electric machine torque setpoint Cem, and at least one operating variable VAR of the electric machine.
  • an operating zone ZON of the electric machine is determined in real time, as a function of the torque setpoint Cem and of the at least one operating variable VAR.
  • a MOD dynamic model of the electric machine was built.
  • a recursive algorithm ALR is implemented which uses the dynamic model MOD and the identified operating zone ZON to determine current setpoints i d , i q .
  • the real-time steps which make it possible to determine the current setpoints i d , i q are denoted DET.
  • the electrical machine is controlled CON in real time from the current setpoints i d , i q .
  • the step of controlling the electric machine can be implemented by means of the following steps: the voltage setpoints of the electric machine are determined by means of the voltage setpoints determined, by example, for this step, proportional-integral (PI) type regulators can be implemented, and - an inverter is controlled, in particular switches of the inverter, which supplies the electrical machine so as to generate the determined voltage setpoints .
  • the control of the inverter can implement a pulse width modulation method PWM (or in English PWM for "Pulse width modulation”), in particular a control method vector, in particular a conventional control of the spatial vector SVM (from the English “Space Vector Modulation”), or any analogous method.
  • control system for an electrical machine.
  • the control system comprises an inverter, optionally a position and/or speed sensor of the rotor of the electric machine, and a computer and a memory configured to implement the steps of the control method according to one any of the variants or combinations of variants described above.
  • control system may include means for measuring the currents in the phases of the electric machine, for example current sensors.
  • FIG. 3 is shown, schematically and in a non-limiting manner, an installation comprising a rotating electrical machine MEL associated, for its control, with a control system CON according to the invention (the control system implementing the control method according to the invention).
  • the installation also comprises a DC source of electrical energy, such as a direct voltage bus, represented by the voltages +V bat and -V bat .
  • the rotating electric machine MEL can be a synchronous rotating machine, with several phases, preferably three phases (alternatively the synchronous electric machine can comprise a number of phases that is a multiple of three, for example six, nine or twelve, or even four or five phases ).
  • the electric machine MEL can be a synchronous electric machine with permanent magnets or synchro-reluctant, in particular a three-phase synchro-reluctant rotating machine assisted by permanent magnets.
  • the electric machine MEL has three inputs.
  • Each input corresponds to a phase of a stator (not shown) of the rotating electrical machine MEL.
  • the control system CON is intended to control, over time, the power supply to the rotating machine MEL as a function of target values and/or measured values of predetermined magnitudes.
  • the control system CON takes into account a torque setpoint C em* (which can conventionally come from a request from the user of the electric machine, alternatively this torque setpoint can be calculated by speed regulation), and at least one operating variable of the electric machine, for example the speed of rotation ⁇ of the rotor of the electric machine.
  • control system and method according to the invention use at least one threshold of at least one operating variable of the electric machine, for example a voltage threshold V max , and a current threshold I max .
  • the system and the method according to the invention require data DON which characterize the electric machine MEL, for example the resistance of the stator for the dynamic model of the electric machine.
  • the CON control system comprises an OND inverter and various successive control blocks.
  • the control system can include, if necessary, a sensor CAP of the angular position of the rotor of the electric machine MEL. Such a sensor makes it possible to determine the angular position ⁇ of the electric machine.
  • control system CON may comprise means for measuring the currents i a , i b , i c in the phases of the electric machine, for example current sensors.
  • the inverter OND is configured to convey electrical energy between the source +V bat and -V bat and the synchronous electrical machine MEL with variable speed. More specifically, the inverter OND is configured to convey electrical energy between the source +V bat and ⁇ V bat and each phase of the stator of the synchronous electrical machine MEL.
  • the inverter OND comprises a first input connected to the source +V bat and -V bat , and three outputs, each connected to a corresponding phase of the stator of the synchronous electric machine MEL.
  • the inverter OND further comprises a second input electrically connected to an output of a pulse length modulation block PWM, so that the inverter OND is configured to route electrical energy between the source + V bat and - V bat and the synchronous electric machine MEL according to a commutation control signal applied by the preceding control blocks to the second input of the inverter OND.
  • the switching control signal may be such that the inverter OND conveys electrical energy from the source +V bat and -V bat to the electric machine MEL so that the electric machine MEL exhibits an operation commonly referred to as “motor” and/or an operation commonly referred to as “generator”.
  • the OND inverter comprises several switching arms (not shown), preferably at least one switching arm for each phase of the electric machine, to transform the DC signal from the source +V bat and -V bat into a signal alternating for the phases of the MEL electric machine.
  • Each switch arm has at least one controlled switch.
  • each switch of the switching arms can be controlled by means of PWM (Pulse Width Modulation) pulse width modulation.
  • the control system and method CON initially comprise a step of determining DET the current setpoints id* and iq* from the torque setpoint C em *, the rotational speed of the rotor ⁇ of the electric machine , current Imax and voltage Vmax thresholds and data DON of the electrical machine.
  • This step is implemented by means of the steps described previously, and can correspond to the DET step of FIG. 1.
  • At least one PI proportional-integral regulator (preferably two PI regulators or any analogous method) is implemented to determine the voltage setpoints vd* and vq* from the current setpoints id* and iq*.
  • the voltage setpoints vd* and vq* are converted into a switching control signal for the inverter OND first by means of a Park transformation TRA (to change the reference of the voltage setpoints), then in a second step time, by means PWM pulse width modulation, for example by means of spatial vector control, or any analogous method.
  • the simplified dynamic model (only the quadrature inductance depends on the current) is implemented with a closed-loop control of the electric machine, according to the embodiment of Figure 3 (the maximum voltage being defined from the battery voltage and the PWM index used).
  • the following operating variables are considered: the current amplitude, the voltage amplitude, and the rotational speed of the rotor of the electrical machine, and the four operating zones are defined, as illustrated in figure 2.
  • Figure 4 illustrates, for this example, the constraints and the control of the electrical machine in a frame of current setpoints i d in A, i q in A.
  • the current constraint Ismax is represented by a circle
  • the voltage constraints V smax are represented by a shape having substantially that of an eye or quasi-ellipse given the dependence of the inductances on the currents id and iq.
  • This figure also shows a reference REF to be followed by means of a control method.

Landscapes

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de contrôle d'une machine électrique (MEL), dans lequel on détermine une zone de fonctionnement (ZON) de la machine électrique, et on détermine des consignes de courant (id, iq) de la machine électrique au moyen d'un algorithme récursif (LAR) qui résout un système d'équations d'optimisation avec contraintes de tension et de courant qui dépend de la zone de fonctionnement (ZON) et d'un modèle (MOD) de la machine électrique adapté au fonctionnement sous contraintes.

Description

PROCEDE ET SYSTEME DE CONTROLE D’UNE MACHINE ELECTRIQUE DETERMINANT DES CONSIGNES DE COURANT OPTIMALES Domaine technique La présente invention concerne le domaine du contrôle des machines électriques, en particulier des machines électriques synchrones, notamment les machines électriques synchro-réluctantes assistées d’aimants permanents. Il est connu d’avoir recours à des machines électriques tournantes telles que des machines électriques synchrones à aimants permanents ou des machines synchro-réluctantes, en particulier des machines synchro-réluctantes assistées d’aimants permanents. De telles machines électriques sont, par exemple, utilisées dans le domaine de la propulsion, par exemple pour la génération de couples moteurs à bord d’un véhicule, tel qu’un véhicule automobile. Le document FR 3051296 A1 décrit, par exemple, une machine synchro-réluctante assistée d’aimants permanents. Un procédé de commande d’une telle machine électrique comprend généralement le calcul de courants et de tensions dits « directs » et « en quadrature » (également appelé « quadratique »), qui sont des courants et des tensions exprimés dans un repère tournant lié au rotor, et la mise en œuvre de deux asservissements, l’un portant sur les grandeurs dites « directes », et l’autre portant sur les grandeurs dites « en quadrature », afin de déterminer les tensions à appliquer à chaque phase de la machine tournante. Par conséquent, déterminer les composantes, référentielles, directes et en quadrature du courant de stator est une étape cruciale à ce niveau, et ceci afin de garantir un niveau optimal de performance de la machine électrique. La complexité de la détermination du courant de référence dépend en effet de la nature de la machine utilisée : - Pour une machine synchrone à pôles lisses, les composantes directes et quadratiques du courant peuvent s’obtenir d’une manière linéaire et directe du couple demandé, et - Pour d’autres machines, telles que les machines synchro-reluctantes, l’obtention des composantes de référence du courant de stator fait appel à des méthodes plus sophistiquées et plus complexes. Technique antérieure Le choix d’une méthode de détermination des consignes de courant directe et en quadrature tient compte du niveau de performance souhaité et du volume de calcul en temps réel ; sujet qui a été largement traité par la littérature industrielle et académique. Dans ce contexte, on peut citer les méthodes suivantes : La méthode Maximum Torque Per Ampere (MTPA, pouvant être traduit par couple maximum par ampère) qui détermine les composantes directe (Id) et en quadrature (Iq) du courant par une solution optimale de l’angle du vecteur de courant de stator. Elle est utilisée lorsque l’amplitude de la tension est inférieure au seuil maximal. Une phase de défluxage (on appelle défluxage la diminution du flux pour augmenter la vitesse de rotation de la machine électrique au-delà de sa valeur nominale sans augmenter la tension d’alimentation), par un retour de l’erreur sur l’amplitude de la tension de référence, est intégrée quand la tension dépasse le seuil maximal. Dans ce sens, on distingue dans la littérature, deux façons de réaliser le défluxage à travers l’angle de courant de stator : • Le retour de l’erreur de tension qui agit directement sur la composante directe de courant (Id), et • Le retour de l’erreur de tension qui agit sur l’angle du vecteur de courant. Une méthode pour laquelle, les composantes du courant Id et Iq sont déterminées par des tables de données hors ligne, obtenues à partir de méthodes et de modèles optimaux de couple et de flux. Une phase de défluxage par un retour de l’erreur de tension peut être intégrée lorsque son amplitude de tension dépasse un seuil maximal. Une méthode, pour laquelle, les composantes du courant Id et Iq sont déterminées par MTPA et par un régulateur d’une seule composante de courant (souvent la composante quadratique Iq) pour définir l’angle de tension en zone de défluxage. Une méthode pour laquelle, les composantes de courant Id et Iq sont déterminées par des algorithmes simplifiés d’optimisation de temps réel par le biais d’inductances indépendantes des composantes du courant de stator. Par ailleurs, on peut également citer les documents suivants : - K. D. Hoang, Member, IEEE, J. Wang, Senior Member, IEEE, M. Cyriacks, A. Melkonyan, and K. Kriegel : « Feed-forward Torque Control of Interior Permanent Magnet Brushless AC Drive for Traction Applications », IEEE International Electric Machines & Drives Conference, 12-15 May 2013, Chicago, Illinois, USA. - Shuo Wang, Member, Jinsong Kang1, Member, Michele Degano, Member, Alessandro Galasini, Member and Chris Gerada, senior member, « An Accurate Wide-speed Range Control Method of IPMSM Considering Resistive Voltage Drop and Magnetic Saturation » ; IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.67, Issue 4 ; April 2019. - LEOPOLD SEPULCHRE, « Pour l'optimisation de la commande des machines synchrones à aimants permanents en régime de haute vitesse pour véhicule électrique », Thèse, Université de Toulouse, 28/03/2017, Toulouse, France. La méthode présentée dans le document de Shuo Wang et al. (2019) est basée sur des systèmes d’optimisation interconnectés. Néanmoins, un nombre d’itérations est nécessaire pour obtenir la solution optimale, ce qui rend difficile son implémentation en temps réel, et les variations des inductances en fonction des composantes de courant Id et Iq ne sont pas prises en compte, ce qui ne permet pas d’obtenir des composantes de courant optimales pour tous les types de machines électriques. En outre, diverses demandes de brevet traitent le même sujet et présentent différentes méthodes, parmi lesquelles : - Dans les demandes de brevet US 7586286 et US 6936991, la détermination de composantes de courant Id et Iq est basée sur une méthode de Peak Torque Per Ampere (méthode équivalente à MTPA et pouvant être traduit par pic de couple par ampère) avec une limitation de la tension par un modèle mathématique de la machine en régime permanent. Les inductances de la machine électrique sont supposées indépendantes des composantes de courant Id et Iq, ce qui ne permet pas d’obtenir des composantes de courant optimales pour tous les types de machines électriques. - Dans la demande de brevet US 9614473, les composantes de courant Id et Iq sont déterminées par la méthode MTPA avec insertion d’une phase de défluxage via des tables des données. L’angle de la tension est adaptée par un régulateur de couple qui utilise une valeur désirée et un estimateur de couple. L’utilisation de tables de données simples ne permet pas, toujours, l’obtention d’une consigne de contrôle optimale de la machine électrique. Résumé de l’invention La présente invention a pour but de contrôler une machine électrique, en déterminant, en temps réel, des consignes de courant optimales pour tous types de machines électriques. Pour cela, l’invention concerne un procédé de contrôle d’une machine électrique, dans lequel on détermine une zone de fonctionnement de la machine électrique, et on détermine des consignes de courant de la machine électrique au moyen d’un algorithme récursif qui résout un système d’équations d’optimisation avec contraintes de tension et de courant qui dépend de la zone de fonctionnement et d’un modèle de la machine électrique adapté au fonctionnement sous contraintes. L’algorithme récursif permet le contrôle en temps réel sans utilisation de table ou de cartographie. La détermination de la zone de fonctionnement permet d’adapter les consignes de courant aux contraintes de fonctionnement de la machine électrique, et permet d’obtenir ainsi un niveau optimal de performance de la machine électrique. L’invention concerne un procédé de contrôle d’une machine électrique, dans lequel on définit un seuil pour au moins une variable de fonctionnement de ladite machine électrique, et dans lequel on met en œuvre les étapes suivantes : a. On construit un modèle dynamique de ladite machine électrique, qui relie le couple de ladite machine électrique aux courants de ladite machine électrique ; b. On définit au moins deux zones de fonctionnement de ladite machine électrique délimitées par ledit seuil pour ladite au moins une variable de fonctionnement ; Et on met en œuvre les étapes suivantes en temps réel : c. On détermine une consigne de couple de ladite machine électrique et ladite au moins une variable de fonctionnement de ladite machine électrique ; d. On identifie la zone de fonctionnement de ladite machine électrique en fonction de ladite au moins une variable de fonctionnement et de ladite consigne de couple de ladite machine électrique ; e. On détermine des consignes de courant de ladite machine électrique en fonction de ladite consigne de couple au moyen d’un algorithme récursif qui résout un système d’équations qui dépend de ladite zone de fonctionnement identifiée et dudit modèle dynamique de ladite machine électrique ; f. On contrôle ladite machine électrique au moyen desdites consignes de courant déterminées. Selon un mode de réalisation, ladite au moins une variable de fonctionnement est choisi parmi l’amplitude de tension de ladite machine électrique, l’amplitude de courant de ladite machine électrique, et la vitesse de rotation du rotor de ladite machine électrique. Avantageusement, on définit au moins quatre zones de fonctionnement : • Une première zone de fonctionnement pour laquelle l’amplitude de courant est inférieure à un seuil de courant, et l’amplitude de tension est inférieure à un seuil de tension, • Une deuxième zone de fonctionnement pour laquelle l’amplitude de courant est supérieure ou égale audit seuil de courant, et l’amplitude de tension est inférieure audit seuil de tension, • Une troisième zone de fonctionnement pour laquelle l’amplitude de courant est supérieure ou égale audit seuil de courant, l’amplitude de tension est supérieure ou égale audit seuil de tension, et la vitesse de rotation du rotor est inférieure à la vitesse de rotation de maintien de puissance maximale de ladite machine électrique, • Une quatrième zone de fonctionnement pour laquelle l’amplitude de courant est supérieure ou égale audit seuil de courant, l’amplitude de tension est supérieure ou égale audit seuil de tension, et la vitesse de rotation du rotor est supérieure à ladite vitesse de rotation de maintien de puissance maximale de ladite machine électrique. De préférence, on définit une cinquième zone de fonctionnement pour laquelle l’amplitude de courant est inférieure audit seuil de courant, et l’amplitude de tension est supérieure ou égale audit seuil de tension. Conformément à une mise en œuvre, on construit ledit modèle dynamique de ladite machine
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électrique à partir des équations suivantes : et
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avec id, iq : les composantes directe et en quadrature du courant de stator de ladite machine électrique, vd, vq ; les composantes directe et en quadrature de la tension dudit stator de ladite machine électrique, ϕ le flux des aimants du rotor de ladite machine électrique avec ϕd le flux direct, et ϕq le flux en quadrature, ω la pulsation électrique, Rs la résistance de stator, Ld l’inductance directe de ladite machine électrique, Lq l’inductance en quadrature de ladite machine électrique, Cem le couple de la machine électrique, P est le nombre de paires de pôles de ladite machine électrique. Selon un aspect, ledit algorithme récursif met en œuvre, en partant d’une valeur initiale ou précédente appropriée, une résolution récursive d’équations de Langrange dudit système
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d’équation, et s’écrit : avec X un vecteur contenant les consignes de courants optimales et les facteurs des contriantesdes équations de Lagrange des zones de fonctionnement, k l’incrément de temps, l’indice y représente lesdites zones de fonctionnement, le gradient des équations de Lagrange, Jy,k-1 la matrice Jacobienne.
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De manière avantageuse, ledit algorithme récursif met en oeuvre une méthode de Newton- Raphson au premier ordre pour développer ladite matrice Jacobienne dudit système d’équation. Conformément à un mode de réalisation ladite machine électrique est une machine électrique synchrone, de préférence une machine électrique synchro-réluctante assistée d’aimants permanents. Selon une option de réalisation, on contrôle ladite machine électrique au moyen des étapes suivantes : i. On détermine des consignes de tension au moyen desdites consignes de courant ; et ii. On contrôle un onduleur qui commande l’alimentation de ladite machine électrique en fonction desdites consignes de tension. Selon un aspect, on définit ledit seuil de ladite au moins une variable de fonctionnement en fonction de contraintes d’utilisation de ladite machine électrique, telles qu’un maximum ou un minimum de ladite variable de fonctionnement. En outre, l’invention concerne un système de contrôle d’une machine électrique comprenant un onduleur pourvu de bras de commutation, un calculateur et une mémoire configurés pour mettre en œuvre les étapes du procédé de contrôle selon l’une des caractéristiques précédentes pour commander ladite machine électrique au moyen dudit onduleur. D'autres caractéristiques et avantages du procédé et du système selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. Liste des figures La figure 1 illustre les étapes du procédé selon un mode de réalisation de l’invention. La figure 2 illustre plusieurs zones de fonctionnement mises en œuvre dans un mode de réalisation du procédé de contrôle selon l’invention. La figure 3 illustre le procédé et le système de contrôle selon un mode de réalisation de l’invention. La figure 4 illustre, pour un exemple, les consignes de courant obtenus par le procédé selon un mode de réalisation, en fonction de contraintes. Description des modes de réalisation La présente invention concerne un procédé et un système de contrôle d’une machine électrique. Selon un mode de réalisation de l’invention, la machine électrique peut être une machine électrique synchrone, de préférence une machine électrique synchro-réluctante assistée d’aimants permanents. En effet, le procédé et le système selon l’invention sont particulièrement adaptés à ce type de machine électrique, notamment car l’invention permet de prendre en compte les contraintes et le fonctionnement de tous types de machines. Le procédé de contrôle d’une machine électrique selon l’invention comporte les étapes suivantes : - Définition d’un seuil pour au moins une variable de fonctionnement de la machine électrique, de préférence on peut définir un seuil pour plusieurs variables de fonctionnement de la machine électrique, - Construction d’un modèle dynamique de la machine électrique, le modèle dynamique relie le couple de la machine électrique aux courants de la machine électrique, - On définit au moins deux zones de fonctionnement de la machine électrique, ces zones étant délimitées par le ou les seuil(s) de l’au moins une variable de fonctionnement de la machine électrique, - En temps réel, on détermine une consigne de couple de la machine électrique, - En temps réel, on détermine la variable de fonctionnement de la machine électrique, de préférence, on peut déterminer plusieurs variables de fonctionnement de la machine électrique, - En temps réel, on identifie la zone de fonctionnement dans laquelle se trouve la machine électrique en fonction du ou des variables de fonctionnement déterminé(s) et de la consigne de couple déterminée, - En temps réel, on détermine des consignes de courant de la machine électrique en fonction de la consigne de couple, en mettant en œuvre un algorithme récursif qui résout un système d’équations, le système d’équations étant construit au moyen du modèle dynamique de la machine électrique, de plus, le système d’équations est adapté à la zone de fonctionnement identifiée, le but de cette étape est de déterminer les consignes de courant optimaux, qui permettent de minimiser l’écart entre la consigne de couple et le couple obtenu avec les consignes de courant, sous contraintes, - En temps réel, on contrôle la machine électrique au moyen des consignes de courant déterminées. Ces étapes peuvent être mises en œuvre notamment par un calculateur et une mémoire informatique, dédiés pour les temps réels. Dans la suite de la description et dans les revendications, le terme « consignes de courant » désigne soit les consignes de courant « direct » et « en quadrature », soit la norme de courant et l’angle de défluxage, ou tout autre représentation équivalente des courants. On appelle variable de fonctionnement de la machine électrique, une grandeur qui caractérise le fonctionnement de la machine électrique, il peut s’agir notamment d’une variable électrique, comme la tension, le courant, ou la puissance de la machine électrique, une variable mécanique comme la position, la vitesse ou l’accélération du rotor de la machine électrique. Selon un mode de réalisation de l’invention, la variable de fonctionnement de la machine électrique peut être choisie parmi l’amplitude de tension de la machine électrique, l’amplitude de courant de la machine électrique, et la vitesse de rotation du rotor de la machine électrique. De préférence, pour le mode de réalisation pour lequel plusieurs variables de fonctionnement de la machine électrique sont utilisées, le procédé selon l’invention peut mettre en œuvre les trois variables suivantes : l’amplitude de tension de la machine électrique, l’amplitude de courant de la machine électrique et la vitesse de rotation du rotor de la machine électrique. On appelle seuil d’une variable de fonctionnement de la machine électrique, une limite de fonctionnement de la machine électrique liée à la variable de fonctionnement considérée. Ces seuils définissent des contraintes de fonctionnement de la machine électrique. On peut définir un tel seuil en fonction de contraintes d’utilisation de la machine électrique, telles qu’un maximum ou un minimum de la variable de fonctionnement concerné. Par exemples : - lorsque la variable de fonctionnement est l’amplitude de tension de la machine électrique, le seuil peut être la tension maximale de la machine électrique, - lorsque la variable de fonctionnement est l’amplitude de courant de la machine électrique, le seuil peut être le courant maximal de la machine électrique, - lorsque la variable de fonctionnement est la vitesse de rotation du rotor de la machine électrique, le seuil peut être la vitesse de rotation de maintien de puissance maximale de la machine électrique. On peut définir ces seuils à partir de données constructeurs de la machine électrique ou de données obtenues expérimentalement. De plus, selon un mode de réalisation de l’invention, on peut définir ces seuils en prenant en compte d’autres données variables de la machine électrique, et ainsi ces seuils peuvent varier dans le temps. Alternativement, les seuils peuvent être constants dans le temps. Par exemple, la tension maximale peut dépendre de la tension de la batterie qui alimente la machine électrique, cette tension de la batterie pouvant être considérée comme variable et pouvant être mesurée en temps réel. Par exemple, on peut écrire l’équation suivante :
Vsmax = mVbat avec Vsmax la tension maximale de la machine électrique, Vbat la tension de la batterie et m l’indice de Modulation de Largeur de l’Impulsion (MLI) utilisé. On identifie des zones de fonctionnement de la machine électrique au moyen du ou des seuil(s) défini(s) pour la ou les variable(s) de fonctionnement considérée(s). Par exemple, si on considère un unique seuil pour une unique variable, on peut identifier une première zone pour laquelle la variable de fonctionnement est inférieure au seuil, et une deuxième zone pour laquelle la variable de fonctionnement est supérieure ou égale au seuil. Pour le mode de réalisation pour lequel on considère les trois variables de fonctionnement : amplitude de tension, amplitude de courant et vitesse de rotation du rotor, on peut définir au moins quatre zones de fonctionnement de la machine électrique : • Une première zone de fonctionnement pour laquelle l’amplitude de courant est inférieure à un seuil de courant (par exemple le courant maximal), et l’amplitude de tension est inférieure à un seuil de tension (par exemple la tension maximale), • Une deuxième zone de fonctionnement pour laquelle l’amplitude de courant est supérieure ou égale au seuil de courant (par exemple le courant maximal), et l’amplitude de tension est inférieure au seuil de tension (par exemple la tension maximale), • Une troisième zone de fonctionnement pour laquelle l’amplitude de courant est supérieure ou égale au seuil de courant (par exemple le courant maximal), l’amplitude de tension est supérieure ou égale au seuil de tension (par exemple la tension maximale), et la vitesse de rotation du rotor est inférieure à la vitesse de rotation de maintien de puissance maximale de ladite machine électrique, • Une quatrième zone de fonctionnement pour laquelle l’amplitude de courant est supérieure ou égale au seuil de courant (par exemple le courant optimal), l’amplitude de tension est supérieure ou égale au seuil de tension (par exemple la tension maximale), et la vitesse de rotation du rotor est supérieure à la vitesse de rotation de maintien de puissance maximale de la machine électrique. La figure 2 illustre, schématiquement et de manière non limitative, les quatre zones listées ci- dessus. Sur cette figure, on représente trois courbes de la machine électrique, le couple C, l’amplitude de tension V, l’amplitude de courant I en fonction de la vitesse de rotation du rotor Ω. La première zone, appelée zone 1, correspond à une zone pour laquelle le courant I est inférieur au courant maximal Imax, et la tension V est inférieure à la tension maximale Vmax. La deuxième zone, appelée zone 2, correspond à une zone pour laquelle le courant I est supérieur ou égal au courant maximal Imax, et la tension V est inférieure à la tension maximale Vmax. La troisième zone, appelée zone 3, correspond à une zone pour laquelle le courant I est supérieur ou égal au courant maximal Imax, et la tension V est supérieure ou égale à la tension maximale Vmax, et la vitesse de rotation Ω est inférieure à la vitesse de rotation de maintien de puissance maximale Ωp,max. La quatrième zone, appelée zone 4 (zone de défluxage), correspond à une zone pour laquelle le courant I est supérieur ou égal au courant optimal Iopti qui est le courant maximal de défluxage, et la tension V est supérieure ou égale à la tension maximale Vmax, et la vitesse de rotation Ω est supérieure ou égale à la vitesse de rotation de maintien de puissance maximale Ωp,max On remarque que ces zones permettent bien de distinguer les différentes zones dans lesquelles le fonctionnement de la machine diffère en raison des contraintes de fonctionnement : au moins une des courbes du couple, de l’amplitude de tension, ou de l’amplitude de courant se comporte différemment au passage d’une zone à une zone adjacente. Selon un mode de réalisation de l’invention, on peut en outre définir une cinquième zone de fonctionnement. Pour cette cinquième zone de fonctionnement, l’amplitude de courant est inférieure au seuil de courant et l’amplitude de tension est supérieure au sein de tension. Pour l’étape d’identification de la zone de fonctionnement de la machine électrique, on détermine les variables de fonctionnement de la machine électrique, on en déduit la zone de fonctionnement de la machine électrique. En d’autres termes, on compare les variables de fonctionnement de la machine électrique aux seuils définis de ces variables de fonctionnement pour en déduire, en temps réel, la zone de fonctionnement (c’est-à-dire la zone de fonctionnement actuelle de la machine électrique). Pour l’exemple de la figure 2, si à un instant on détermine que l’amplitude de la tension est inférieure au seuil de tension, et que l’amplitude de courant est supérieure au seuil de courant, alors on considère pour cet instant que la machine est dans la deuxième zone de fonctionnement, zone 2. Et ainsi, on applique alors le système d’équations qui correspond à cette zone pour déterminer les consignes de courant. On construit un modèle dynamique de la machine électrique, qui relie le couple de la machine électrique aux courants de la machine électrique. Plusieurs modèles dynamiques de la machine électrique peuvent être considérés. Selon un mode de réalisation, on peut construire le modèle dynamique de la machine
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électrique au moyen des équations suivantes : et
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avec id, iq : les composantes directe et en quadrature du courant de stator de ladite machine électrique, vd, vq ; les composantes directe et en quadrature de la tension du stator de ladite machine électrique, ϕ le flux des aimants du rotor de ladite machine électrique avec ϕd le flux direct, et ϕq le flux en quadrature, ω la pulsation électrique (ω = PΩ), Rs la résistance de stator, Ld l’inductance directe de ladite machine électrique, Lq l’inductance en quadrature de ladite machine électrique, Cem le couple de la machine électrique, P est le nombre de paires de pôles de ladite machine électrique. Ce modèle permet de prendre en compte les variations de l’inductance de la machine électrique, qui peuvent varier notamment en fonction des courants direct et en quadrature. De plus, un tel modèle permet de prendre en compte la conception de la machine en tenant compte notamment de la résistance du stator et du flux des aimants du rotor. Dans ces équations, les inductances directe et en quadrature peuvent dépendre des courants direct et en quadrature. Ce mode de réalisation est particulièrement adapté aux machines synchro-réluctantes assistées d’aimants permanents. Pour une autre mise en œuvre de ce mode de réalisation, et pour la simplicité de modélisation pour le calcul optimal du courant de stator, on peut considérer, que seule l’inductance Lq dépend du courant iq (Ld est alors considéré comme constant et l’inductance mutuelle est négligée). Donc, les composantes directe et en quadrature de flux peuvent être respectivement . Pour cette variante de réalisation, on peut
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écrire le modèle dynamique simplifié au moyen de l’équation :
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En outre, on peut définir l’amplitude de tension au moyen de l’équation suivante :
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avec vmod l’amplitude de tension, vd la tension directe, vq la tension en quadrature. Ainsi, au moyen du modèle dynamique, on peut formuler un système d’équations pour chaque zone de fonctionnement. On peut déterminer la consigne de couple de la machine électrique de manière classique à partir d’une demande de l’utilisateur de la machine électrique. Alternativement, la consigne de couple peut être déterminée par une régulation de vitesse. Pour une utilisation plus globale en fonction de la complexité de machine électrique utilisée, le procédé selon l’invention met en œuvre une solution récursive, de préférence une solution récursive de deux systèmes d’optimisation avec des contraintes inter-lacées en fonction du courant, de la tension et de la vitesse de la machine électrique, et intégrant les variations des inductances en fonction des composantes de courant du stator. Dans ce sens, les deux systèmes d’optimisation peuvent être obtenus en construisant deux fonctions de Lagrange intégrant les différents contraintes considérées pour cette méthode. Pour l’étape de détermination des consignes de courant, on met en œuvre un algorithme récursif avec un seul pas de temps de calcul. Cet algorithme est dit récursif, car les consignes de courant à l’instant k ( tk en temps discret) dépend des consignes du courant à l’instant k-1 (c’est-à-dire l’instant tk-1 discret précédent). Cet algorithme a pour but de résoudre le problème de minimisation issu du système d’équations de la zone de fonctionnement déterminé, et permet ainsi un niveau optimal de performance de la machine électrique. L’algorithme récursif utilise de préférence uniquement la valeur du pas de temps précédent. Cet algorithme récursif présente également l’avantage de n’utiliser aucune table de données ou cartographie pour déterminer les consignes de courant. Plusieurs méthodes peuvent être mises en œuvre pour la résolution des systèmes d’équations. Selon un mode de réalisation de l’invention, on peut mettre en œuvre une résolution d’équations de Lagrange du système d’équation et mettre en œuvre une méthode de Newton- Raphson au premier ordre. Ainsi, on peut écrire :
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avec X un vecteur contenant les consignes de courants optimales des équations de Lagrange des zones de fonctionnement, k l’incrément de temps, l’indice y représente les zones de fonctionnement,
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le gradient des équations de Lagrange à l’instant précedent tk-
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1, la matrice Jacobienne à l’instant précedent tk-1. On pose un premier système d’optimisation du courant, appelé Sys1, pendant lequel la consigne de couple peut être réalisée, de la manière suivante :
Figure imgf000015_0001
On pose un deuxième système d’optimisation du courant, appelé Sys2, pendant lequel la consigne de couple ne peut pas être réalisée, de la manière suivante :
Figure imgf000015_0002
En minimisant la perte totale sous une contrainte d’égalité sur le couple et une autre d’inégalité sur la tension, on peut écrire le Lagrangien du premier système Sys1 par :
Figure imgf000015_0003
Cem et sont, respectivement, le couple électromagnétique et sa consigne, Vmod est l’amplitude de la tension, λCem est le facteur de Lagrange de couple électromagnétique désiré et λvmax est le facteur de Lagrange de tension maximale du système Sys1. Puis, on peut déterminer analytiquement le gradient de ce Lagrangien :
Figure imgf000016_0001
On peut calculer la matrice Jacobienne par différence finie :
Figure imgf000016_0004
Ainsi, pour le mode de réalisation avec quatre zones de fonctionnement (figure 2), on peut obtenir les consignes de courant pour les zones 1 et 2 au moyen de :
Figure imgf000016_0002
Et pour les zones 3 et 4 au moyen de :
Figure imgf000016_0003
Avec Jsys1_1 une matrice (3x3) sélectionnée de la matrice Jsys1 en fonction du vecteur X11. En minimisant l’écart sur le couple électromagnétique sous une contrainte d’inégalité sur la tension et une autre d’inégalité sur le courant, on peut écrire le Lagrangien du deuxième système Sys2 par :
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000017_0004
est, le consigne de couple électromagnétique, Vmod est l’amplitude de la tension,λimax est le facteur de Lagrange de courant maximal et , λvmax est le facteur de Lagrange de tension maximale du système Sys2. Puis, on peut déterminer analytiquement le gradient de ce Lagrangien :
Figure imgf000017_0002
On peut calculer la matrice Jacobienne par différence finie :
Figure imgf000017_0003
Avec
Figure imgf000018_0001
Ainsi, pour le mode de réalisation avec quatre zones de fonctionnement (figure 2), on peut obtenir les consignes de courant pour les zones 1 et 2 au moyen de :
Figure imgf000018_0002
Pour la zone 3 au moyen de :
Figure imgf000018_0003
Pour la zone 4 au moyen de :
Figure imgf000018_0004
Avec Jsys2_1 et Jsys2_2 des matrices (3x3) sélectionnées de la matrice Jsys2 en fonction du vecteur X21 et X22. La figure 1 illustre, schématiquement et de manière non limitative les étapes du procédé selon un mode de réalisation de l’invention. Dans un premier temps, on détermine, en temps réel, une consigne de couple de machine électrique Cem, et au moins une variable de fonctionnement VAR de la machine électrique. Puis, au moyen de zones de fonctionnement identifiées par l’intermédiaire de seuils SEU définis, on détermine, en temps réel, une zone de fonctionnement ZON de la machine électrique, en fonction de la consigne de couple Cem et de l’au moins une variable de fonctionnement VAR. Préalablement, un modèle dynamique MOD de la machine électrique a été construit. En temps réel, on met en œuvre un algorithme récursif ALR qui utilise le modèle dynamique MOD et la zone de fonctionnement identifiée ZON pour déterminer des consignes de courant id, iq. Les étapes en temps réel qui permettent de déterminer les consignes de courant id, iq sont notées DET. Enfin, on contrôle CON, en temps réel, la machine électrique à partir des consignes de courant id, iq. Selon un mode de réalisation de l’invention, on peut mettre en œuvre l’étape de contrôle de la machine électrique au moyen des étapes suivantes : - on détermine des consignes de tension de la machine électrique au moyen des consignes de tension déterminées, par exemple, pour cette étape on peut mettre en œuvre des régulateurs de type proportionnel intégral (PI), et - on contrôle un onduleur, en particulier des commutateurs de l’onduleur, qui alimente la machine électrique de manière à générer les consignes de tension déterminées. Conformément à une mise en œuvre de l’invention, le contrôle de l’onduleur peut mettre en œuvre une méthode de modulation de largeur d’impulsion MLI (ou en anglais PWM pour « Pulse width modulation »), en particulier une méthode de contrôle vectorielle, notamment un contrôle classique du vecteur spatial SVM (de l’anglais « Space Vector Modulation »), ou toute méthode analogue. En outre, l’invention concerne un système de contrôle d’une machine électrique. Le système de contrôle selon l’invention comprend un onduleur, éventuellement un capteur de position et/ou de vitesse du rotor de la machine électrique, et un calculateur et une mémoire configurés pour mettre en œuvre les étapes du procédé de contrôle selon l’une quelconque des variantes ou des combinaisons de variantes décrites précédemment. En outre, le système de contrôle peut comporter des moyens de mesure des courants dans les phases de la machine électrique, par exemple des capteurs de courant. Sur la figure 3 est représentée, schématiquement et de manière non limitative, une installation comprenant une machine électrique tournante MEL associée, pour sa commande, à un système de contrôle CON selon l’invention (le système de contrôle mettant en œuvre le procédé de commande selon l’invention). L’installation comporte également une source DC d’énergie électrique, telle qu’un bus de tension continue, représentée par les tensions +Vbat et -Vbat. La machine électrique tournante MEL peut être une machine tournante synchrone, avec plusieurs phases, de préférence trois phases (alternativement la machine électrique synchrone peut comporter une nombre de phases multiple de trois, par exemple six, neuf ou douze, ou encore quatre ou cinq phases). De préférence, la machine électrique MEL peut être une machine électrique synchrone à aimants permanents ou synchro-réluctante, en particulier une machine tournante triphasée synchro-réluctante assistée d’aimants permanents. Pour l’exemple illustré (non limitatif), la machine électrique MEL comporte trois entrées. Chaque entrée correspond à une phase d’un stator (non représenté) de la machine électrique tournante MEL. Le système de contrôle CON est destiné à piloter, au cours du temps, l’alimentation de la machine tournante MEL en fonction de valeurs cibles et/ou de valeurs mesurées de grandeurs prédéterminées. Pour le procédé et le système selon l’invention, le système de contrôle CON prend en compte une consigne de couple Cem* (qui peut provenir classiquement d’une demande de l’utilisateur de la machine électrique, alternativement cette consigne de couple peut être calculée par une régulation de vitesse), et au moins une variable de fonctionnement de la machine électrique, par exemple la vitesse de rotation Ω du rotor de la machine électrique. De plus, le système et le procédé de contrôle selon l’invention utilisent au moins un seuil d’au moins une variable de fonctionnement de la machine électrique, par exemple un seuil de tension Vmax, et un seuil de courant Imax. Classiquement, le système et le procédé selon l’invention nécessitent des données DON qui caractérisent la machine électrique MEL, par exemple la résistance du stator pour le modèle dynamique de la machine électrique. Le système de contrôle CON comporte un onduleur OND et différents blocs successifs de contrôle. Le système de contrôle peut comporter si besoin un capteur CAP de position angulaire du rotor de la machine électrique MEL. Un tel capteur permet de déterminer la position angulaire θ de la machine électrique. En outre, le système de contrôle CON peut comporter des moyens de mesure des courants ia, ib, ic dans les phases de la machine électrique, par exemple des capteurs de courant. L’onduleur OND est configuré pour acheminer de l’énergie électrique entre la source +Vbat et - Vbat et la machine électrique synchrone MEL à vitesse variable. Plus précisément, l’onduleur OND est configuré pour acheminer de l’énergie électrique entre la source +Vbat et - Vbat et chaque phase du stator de la machine électrique synchrone MEL. L’onduleur OND comporte une première entrée reliée à la source +Vbat et - Vbat, et trois sorties, chacune reliée à une phase correspondante du stator de la machine électrique synchrone MEL. L’onduleur OND comporte, en outre, une deuxième entrée électriquement reliée à une sortie d’un bloc de modulation de longueur d’impulsion MLI, de sorte que l’onduleur OND est configuré pour acheminer de l’énergie électrique entre la source +Vbat et - Vbat et la machine électrique synchrone MEL en fonction d’un signal de commande de commutation appliqué par les blocs de contrôle précédents à la deuxième entrée de l’onduleur OND. De préférence, le signal de commande de commutation peut être tel que l’onduleur OND achemine de l’énergie électrique depuis la source +Vbat et - Vbat vers la machine électrique MEL de sorte que la machine électrique MEL présente un fonctionnement communément appelé « moteur » et/ou un fonctionnement communément appelé « générateur ». Classiquement, l’onduleur OND comporte plusieurs bras de commutation (non représenté), de préférence au moins un bras de commutation pour chaque phase de la machine électrique, pour transformer le signal continu depuis la source +Vbat et - Vbat en un signal alternatif pour les phases de la machine électrique MEL. Chaque bras de commutation comporte au moins un commutateur commandé. De manière classique, on peut commander chaque commutateur des bras de commutation au moyen d’une modulation de largeur d’impulsion MLI (ou PWM de l’anglais Pulse Width Modulation). Le système et le procédé de contrôle CON comportent dans un premier temps une étape de détermination DET des consignes de courants id* et iq* à partir de la consigne de couple Cem*, de la vitesse de rotation du rotor Ω de la machine électrique, des seuils de courant Imax et de tension Vmax et de données DON de la machine électrique. Cette étape est mise en œuvre au moyen des étapes décrites précédemment, et peut correspondre à l’étape DET de la figure 1. Au moins un régulateur proportionnel intégral PI (de préférence deux régulateurs PI ou toute méthode analogue) est mis en œuvre pour déterminer les consignes de tension vd* et vq* à partir des consignes de courants id* et iq*. Les consignes de tension vd* et vq* sont converties en signal de commande de commutation pour l’onduleur OND dans un premier temps au moyen d’une transformation TRA de Park (pour changer le repère des consignes de tension), puis dans un deuxième temps, au moyen d’une modulation de largeur d’impulsion MLI, par exemple au moyen d’un contrôle de vecteur spatial, ou toute méthode analogue. Comme il va de soi, l’invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation, décrits ci- dessus à titre d’exemple, elle embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation. Exemple d’application Les caractéristiques et avantages du procédé et du système selon l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de l'exemple d'application ci-après. Pour cet exemple, on considère une machine électrique synchro-réluctante assistée d’aimants permanents, pour laquelle : la tension de la batterie est de 350 V, le courant maximal est de 320 A, la vitesse maximale est de 18000 tr/min, la résistance du stator est de 29 mΩ, le flux des aimants est de 0.049 Wb, et l’inductance directe est de 230 µH. De plus, pour cet exemple, on met en œuvre le modèle dynamique simplifié (seule l’inductance en quadrature dépend du courant) avec un contrôle en boucle fermée de la machine électrique, conformément au mode de réalisation de la figure 3 (la tension maximale étant définie à partir de la tension de la batterie et l’indice de MLI utilisé). Pour cet exemple, on considère les variables de fonctionnement suivants : l’amplitude de courant, l’amplitude de tension, et la vitesse de rotation du rotor de la machine électrique, et on définit les quatre zones de fonctionnement, telles qu’illustrées en figure 2. La figure 4 illustre, pour cet exemple, les contraintes et le contrôle de la machine électrique dans un repère des consignes de courant id en A, iq en A. Dans ce repère, la contrainte de courant Ismax est représentée par un cercle, les contraintes de tension Vsmax sont représentées par une forme ayant sensiblement celle d’un œil ou quasi-ellipse vue la dépendance des inductances aux courants id et iq. Sur cette figure, on a également représenté une référence REF à suivre au moyen d’un procédé de contrôle. En outre, on représente, à titre de comparaison qualitative, une consigne obtenue d’une méthode de l’art antérieur AA, hors ligne, en l’occurrence la fonction fmincon du logiciel MatlabTM (qui est un outil d’optimisation hors ligne, qui ne permet pas un contrôle en temps réel), ainsi qu’une consigne obtenue au moyen du procédé selon l’invention INV. On remarque que la courbe de la consigne obtenue au moyen du procédé selon l’invention INV est quasiment superposée avec la courbe de référence REF, alors que la courbe de la consigne selon l’art antérieur AA s’en éloigne un peu. Par conséquent, le procédé et le système de contrôle selon l’invention permettent un contrôle en temps réel d’une machine électrique, qui respectent les contraintes de fonctionnement tout en optimisant les courants utilisés et l’écart entre couple consigne et couple réalisable.

Claims

Revendications 1. Procédé de contrôle d’une machine électrique (MEL), dans lequel on définit un seuil (SEU) pour au moins une variable de fonctionnement (VAR) de ladite machine électrique (MEL), et dans lequel on met en œuvre les étapes suivantes : a. On construit un modèle dynamique (MOD) de ladite machine électrique (MEL), qui relie le couple de ladite machine électrique aux courants de ladite machine électrique ; b. On définit au moins deux zones de fonctionnement de ladite machine électrique (MEL) délimitées par ledit seuil pour ladite au moins une variable de fonctionnement (VAR) ; Caractérisé en ce qu’on met en œuvre les étapes suivantes en temps réel : c. On détermine une consigne de couple (Cem) de ladite machine électrique (MEL) et ladite au moins une variable de fonctionnement de ladite machine électrique (MEL) ; d. On identifie la zone de fonctionnement (ZON) de ladite machine électrique en fonction de ladite au moins une variable de fonctionnement (VAR) et de ladite consigne de couple (Cem) de ladite machine électrique (MEL) ; e. On détermine des consignes de courant (id, iq) de ladite machine électrique (MEL) en fonction de ladite consigne de couple au moyen d’un algorithme récursif (ALR) qui résout un système d’équations qui dépend de ladite zone de fonctionnement identifiée (ZON) et dudit modèle dynamique de ladite machine électrique (MOD) ; f. On contrôle (CON) ladite machine électrique au moyen desdites consignes de courant déterminées. 2. Procédé de contrôle selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une variable de fonctionnement (VAR) est choisi parmi l’amplitude de tension de ladite machine électrique, l’amplitude de courant de ladite machine électrique, et la vitesse de rotation du rotor de ladite machine électrique. 3. Procédé de contrôle selon la revendication 2, dans lequel on définit au moins quatre zones de fonctionnement (ZON) : • Une première zone de fonctionnement pour laquelle l’amplitude de courant est inférieure à un seuil de courant, et l’amplitude de tension est inférieure à un seuil de tension, • Une deuxième zone de fonctionnement pour laquelle l’amplitude de courant est supérieure ou égale audit seuil de courant, et l’amplitude de tension est inférieure audit seuil de tension, • Une troisième zone de fonctionnement pour laquelle l’amplitude de courant est supérieure ou égale audit seuil de courant, l’amplitude de tension est supérieure ou égale audit seuil de tension, et la vitesse de rotation du rotor est inférieure à la vitesse de rotation de maintien de puissance maximale de ladite machine électrique, • Une quatrième zone de fonctionnement pour laquelle l’amplitude de courant est supérieure ou égale audit seuil de courant, l’amplitude de tension est supérieure ou égale audit seuil de tension, et la vitesse de rotation du rotor est supérieure à ladite vitesse de rotation de maintien de puissance maximale de ladite machine électrique. 4. Procédé de contrôle selon la revendication 3, dans lequel on définit une cinquième zone de fonctionnement pour laquelle l’amplitude de courant est inférieure audit seuil de courant, et l’amplitude de tension est supérieure ou égale audit seuil de tension. 5. Procédé de contrôle selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on construit ledit modèle dynamique (MOD) de ladite machine électrique à partir des
Figure imgf000025_0001
équations suivantes : et
Figure imgf000025_0002
avec id, iq : les composantes directe et en quadrature du courant de stator de ladite machine électrique, vd, vq ; les composantes directe et en quadrature de la tension dudit stator de ladite machine électrique, ϕ le flux des aimants du rotor de ladite machine électrique avec ϕd le flux direct, et ϕq le flux en quadrature, ω la pulsation électrique, Rs la résistance de stator, Ld l’inductance directe de ladite machine électrique, Lq l’inductance en quadrature de ladite machine électrique, Cem le couple de la machine électrique, P est le nombre de paires de pôles de ladite machine électrique. 6. Procédé de contrôle selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit algorithme récursif (ALR) met en œuvre, en partant d’une valeur initiale ou précédente appropriée, une résolution récursive d’équations de Langrange dudit système d’équation, et s’écrit : avec X un vecteur contenant les consignes de courants optimales et les facteurs des contriantes des équations de Lagrange des zones de fonctionnement, k l’incrément de temps, l’indice y représente lesdites zones de fonctionnement,
Figure imgf000026_0001
le gradient des équations de Lagrange, la matrice Jacobienne. 7. Procédé de contrôle selon la revendication 6, dans lequel ledit algorithme récursif (ALR) met en oeuvre une méthode de Newton-Raphson au premier ordre pour développer ladite matrice Jacobienne dudit système d’équation. 8. Procédé de contrôle selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite machine électrique est une machine électrique synchrone, de préférence une machine électrique synchro-réluctante assistée d’aimants permanents. 9. Procédé de contrôle selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on contrôle ladite machine électrique au moyen des étapes suivantes : i. On détermine des consignes de tension au moyen desdites consignes de courant ; et ii. On contrôle un onduleur (OND) qui commande l’alimentation de ladite machine électrique en fonction desdites consignes de tension. 10. Procédé de contrôle selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on définit ledit seuil de ladite au moins une variable de fonctionnement (VAR) en fonction de contraintes d’utilisation de ladite machine électrique, telles qu’un maximum ou un minimum de ladite variable de fonctionnement. 11. Système de contrôle d’une machine électrique comprenant un onduleur (OND) pourvu de bras de commutation, un calculateur et une mémoire configurés pour mettre en œuvre les étapes du procédé de contrôle selon l’une des revendications précédentes pour commander ladite machine électrique (MEL) au moyen dudit onduleur.
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