WO2023011920A1 - Procédé de commande d'un onduleur triphasé d'un groupe motopropulseur pour un véhicule automobile - Google Patents

Procédé de commande d'un onduleur triphasé d'un groupe motopropulseur pour un véhicule automobile Download PDF

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WO2023011920A1
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WO
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reference voltage
vref
angles
switching
vector
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Abdelkader BOUARFA
Adrien BOURGEADE
Malek Ghanes
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Renault SAS
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Renault SAS
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    • 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
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters with pulse width modulation

Definitions

  • the invention relates to the field of controlling three-phase inverters for powertrains of electric or hybrid motor vehicles.
  • the invention relates to the field of inverter control by pulse width modulation, also called PWM, and in English Pulse Width Modulation, P WM.
  • the electrical network involving strong currents is generally three-phase. This is what is generally found in an electric motor vehicle.
  • a power supply system as shown in Figure 1 comprises a battery 10 connected via a direct voltage bus, said DC bus, not shown, to a three-phase inverter 15 of the prior art, consisting of three arms A, B , C, referenced respectively 11, 12 and 13, controlled switches Sa, Sa, Sb, Sb, Sc, Sc, generally arms 11-13 each consisting of two insulated-gate bipolar transistors, better known under the name WIGBT for Insulated Gate Bipolar Transistor.
  • This inverter 15 is connected at the output to an electric machine 14, represented in FIG. 1 according to a balanced three-phase star RL equivalent electrical diagram.
  • the switching operation of the inverters 15 is characterized by additional energy losses in the inverter 15 and in the electric traction machine 14 which can be improved.
  • pulse width modulation commands taking advantage of constantly changing computing and storage powers, have the basic principle of precalculating the switching angles for each power switch, on the scale of a fundamental period of the voltage to be achieved.
  • simplifications are based on the symmetry of the arms of the inverter and are called: quarter wave symmetry, English Quarter Wave Symmetry, QWS, for); half wave symmetry, in English Half Wave Symmetry, HWS and full wave symmetry, in English Full Wave Symmetry, FWS, in which the calculation is carried out for the entire period of the signal.
  • the calculation for one phase is applied to the other two phases, taking into account the phase shift of n/3 between the phases of a balanced three-phase network.
  • the method according to the invention makes it possible to take into account both the effect of the three phases on each other, in particular as regards third-order harmonics, and makes it possible to optimize the switching signal over a complete period.
  • obtaining the reference voltage vector includes receiving a setpoint voltage to be achieved; and calculating a reference voltage vector based on said setpoint voltage.
  • the reference voltage is a voltage vector for vector control by pulse width modulation.
  • the invention also relates to a method for calculating a table of switching angles of the controlled switches of a three-phase inverter comprising:
  • said objective function is a function for reducing the level of harmonic distortion of the output voltage.
  • the calculation of the switching angles is carried out to implement a pulse width modulation by spatial vector method, according to the reference vector over a period of the fundamental of the voltage of reference and minimizing said objective function. This makes it possible to implement efficient control of the inverter in a relatively optimized manner.
  • the invention also relates to a control device for a three-phase inverter comprising a plurality of controlled switches, the device comprising:
  • the control device may comprise an on-board computer in a motor vehicle, comprising a processor, a DSP, or any known type of computer, input-output means to enable communication between the processor and the memory storing the precalculated table, and the processor comprising input-output means for actuating the controlled switches of the inverter.
  • a device for calculating a table of switching angles of the controlled switches of a three-phase inverter comprising:
  • the device may in particular be a calculation computer comprising a processor, a random access memory and a storage memory for recording the pre-calculated table.
  • the invention also relates to a storage memory comprising a table of switching angles of the switches of a three-phase inverter obtained by the method as described above.
  • This storage memory can in particular be a flash memory, such as an SSD memory, a hard disk with read head, but also a mass storage medium such as a laser disk (CD-Rom, DVD, Blu-ray etc.), or any other known storage medium.
  • the invention also relates to an electrical assembly of a motor vehicle comprising an electric storage battery, a direct voltage bus, a three-phase inverter, an electric machine and an inverter control device as described above. .
  • a motor vehicle is also proposed comprising an electrical assembly as described above.
  • FIG. 1 is an electrical assembly according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic view of the spatial vector method for pulse width modulation control of a three-phase inverter
  • FIG. 3a is a schematic view of the quarter-wave symmetries applied to calculate a pulse width modulation on a phase
  • FIG. 3b is a schematic view of applied half-wave symmetries to calculate a pulse width modulation on a phase
  • FIG. 3c is a schematic view of the calculation of a pulse width modulation on a phase for a complete period
  • FIG. 4 is a flowchart of the control method according to the invention.
  • FIG. 5 is a flowchart of the method for calculating a table of commutation angles according to the invention.
  • FIG. 6a is a diagram comparing the control method according to the invention with an off-line PWM method of the prior art
  • FIG. 6b is another diagram comparing the control method according to the invention with an off-line PWM method of the prior art.
  • the invention in the embodiment described aims to control a three-phase inverter 15, intended to supply an AC control voltage to an electric machine 14 for an electric or hybrid motor vehicle.
  • This inverter 15 is connected to an electric storage battery 10 supplying a DC voltage via a power supply bus, called DC bus or DC bus, so the DC voltage is generally denoted EDC.
  • the inverter is controlled by a micro-controller 18 whose instructions are stored in a memory RAM19.
  • the voltage V a N represents the stator voltage of the first phase of the machine, i a N the stator current of this first phase.
  • the control of the inverter 15 is a pulse width modulation control, abbreviated in French MLI and more commonly according to the English abbreviation P WM, according to the spatial vector method, known as SVM, for Space Vector Modulation.
  • SVM spatial vector method
  • the command can be abbreviated globally as SVP WM, for Space Vector Pulse Width Modulation.
  • the voltage to be produced Vcommand is converted into a voltage vector Vref.
  • A, B and C each represent an arm of the inverter
  • S a , Sb, S c represent the commands of arm A, B, C of the inverter, the values Sa, Sb, Sc representing the inverse values, each arm comprising two opposite switches which cannot be closed at the same time ;
  • phase-to-phase voltages VAB, VBC, VCA between the phases of the three-phase network at the output of the inverter 15.
  • V ref breaks down into t/Ts*V2+ti/T s *Vi with t2, ti respectively the durations of activation of the vectors V2, Vi and T s the switching period.
  • the duration and the switching alternation of the state vectors framing the sector, and of the freewheel vectors are determined.
  • the chosen switching sequence thus makes it possible to adjust the angle a of the resulting voltage at the output of the inverter.
  • one proceeds beforehand, in other words offline, to the calculation of a table of switching angles as a function of the voltage vector Vref, for a period completeness of the fundamental voltage to be achieved.
  • the switching angles are pre-calculated and stored as a function of the calculated voltage vector Vref, without taking into account any symmetry whatsoever.
  • This method thus makes it possible to optimize the switching signals as a function of the determined objective function.
  • a method 200 is implemented for calculating a table of switching angles as a function of a voltage Vref to be produced, as shown in FIG. 5.
  • a range of reference voltage Vref to be produced is first defined 201 for which these switching angles will be pre-calculated.
  • the achievable voltage range extending between 0V and - ⁇ , the voltage step chosen between two consecutive voltages is 0.001 EDC-
  • an objective function f(x) to be minimized is defined 202 .
  • the objective function to be achieved is a function minimizing the rate of harmonic distortion of the voltage achieved.
  • n represents the order of the various harmonics and V n is the voltage amplitude for the harmonic of order n.
  • This objective function of reducing harmonic distortion depends on the switching angles of the phase voltages to be achieved and which it is sought to obtain. This objective function is therefore then decomposed by a Fourier series for each arm of the undulator as follows, which reveals these commutation angles to be obtained:
  • x is the decision variable vector containing the switching angles for each arm a, b, c at a switching time k, of the inverter as explained previously.
  • x a is a vector of commutation angles x a ,k for the first phase
  • Xb is a vector of angles of commutation Xb,k for the second phase
  • x c is a vector of commutation angles x c ,k for the third phase (the notation x having replaced the notation a to stick to the usual description of the objective function).
  • N is the number of switchings per quarter period desired for one period of the voltage to be produced
  • m is the modulation index
  • dx min designates the minimum angle difference between two successive switching angles
  • the first three constraints are inequalities which mean that the difference between the switching angles must respect a certain minimum time, in particular making it possible to avoid potential harmful overvoltages for the inverter.
  • angles are added 205 to a table stored in memory, for example in a random access memory or in a mass memory.
  • This table can thus provide, for a given voltage vector Vref, the switching angles optimized over a complete period of the fundamental voltage of the voltage Vref. Then, once this table has been saved, the control method 100 of the inverter 15 can be implemented, as shown in Figure 4.
  • the precalculated table is acquired 103. This can in particular be the addressing by a processor of the memory zone where this table is stored so as to be able to interrogate it.
  • a step 102 of obtaining a control voltage vector V ref is also implemented.
  • the voltage vector Vref is calculated by transforming a command voltage Vcommand required 101 by the control system of the electric machine 14.
  • a step 104 of acquisition of the switching angles of the controlled switches precalculated in said table provided is implemented, then and a control step 105 of the switching of the controlled switches of the inverter is implemented according to the acquired commutation angles.
  • control steps can then be repeated throughout the activation period of the electric machine 14 so as to ensure that an optimized voltage at the output of the inverter 15 is permanently supplied.
  • the precalculated table is stored in a random access memory, called RAM memory, in order to be able to supply very quickly the switching angles for a period of the voltage to be produced in real time. This enables fast and optimized control of the inverter.
  • the objective function is indicated here as a function minimizing the rate of harmonic distortion.
  • the method according to the invention provides, with reference to curves 81 and 83, a harmonic distortion rate always less than or equal to the calculation method d an off-line full-wave PWM of the prior art, respectively curves 82 and 84, and this regardless of the number of switchings N taken per period and regardless of the modulation index in a range of ]0, 0.65],
  • the reduction of the harmonic distortion rate is the preferred objective function, since it aims to reduce the energy losses.
  • Other objective functions may however be implemented, for example an increase in efficiency, or even the reduction of electromagnetic radiation so as to improve electromagnetic compatibility.

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Abstract

Un procédé de commande (100) d'un onduleur triphasé comprenant : la fourniture (103) d'une table d'angles de commutation précalculés pour une pluralité de vecteurs de tension de référence (Vref), de sorte à minimiser une fonction-objectif prédéterminée en fonction de chaque vecteur de tension de référence (Vref) sur une période du fondamental du vecteur de tension de référence (Vref);Une étape de commande (105) de la commutation des interrupteurs commandés de l'onduleur en fonction des angles de commutation acquis.

Description

Description
Titre de l’invention : Procédé de commande d’un onduleur triphasé d’un groupe motopropulseur pour un véhicule automobile
[0001] L’invention concerne le domaine de la commande d’onduleurs triphasés pour des groupes motopropulseurs de véhicules automobiles électriques ou hybrides.
[0002] En particulier l’invention concerne le domaine de la commande d’onduleurs par modulation de largeur d’impulsion, aussi appelé MLI, et en anglais Pulse Width Modulation, P WM.
[0003] Il est bien connu qu’une batterie d’accumulateurs électriques d’un véhicule automobile fournit une tension continue qui n’est généralement pas exploitable en l’état par la machine électrique.
[0004] Il est nécessaire de convertir cette tension continue en une tension alternative, via un dispositif nommé onduleur.
[0005] Le réseau électrique impliquant des courants forts est généralement triphasé. C’est ce que l’on retrouve généralement dans un véhicule automobile électrique.
[0006] Un système d’alimentation tel que représenté figure 1 comprend une batterie 10 connectée via un bus de tension continue, dit bus DC, non représenté, à un onduleur triphasé 15 de l’art antérieur, composé de trois bras A, B, C, référencés respectivement 11, 12 et 13, d’interrupteurs commandés Sa, Sa, Sb, Sb, Sc, Sc, généralement des bras 11-13 constitués chacun de deux transistors bipolaires à grille isolée, mieux connus sous le nom WIGBT pour Insulated Gate Bipolar Transistor.
[0007] Cet onduleur 15 est connecté en sortie à une machine électrique 14, représentée figure 1 selon un schéma électrique équivalent RL étoile triphasé équilibré.
[0008] Afin de commander l’onduleur 15, la littérature scientifique a décrit de nombreuses techniques, mais l’une des techniques les plus populaires est la méthode dite de modulation de largeur d’impulsion, MLI, notamment l’injection d’harmonique de rang trois, ou via la création de méthodes à modulations vectorielles dont la plus connue est la méthode du vecteur spatial, abrégé S VM pour Space Vector Modulation.
[0009] Cependant, quelle que soit la commande employée, la commande des onduleurs par modulation de largeur d’impulsion présente deux problèmes principaux :
[0010] - elle limite l’exploitation du bus continue haute tension, dit DC HV, par l’onduleur à environ 57.7% car l’amplitude des tensions simples dans la g machine ne peuvent pas dépasser , avec EDC l’énergie du bus
Figure imgf000004_0001
continue ; et
[0011] - l’opération de commutation des onduleurs 15 se caractérise par des pertes énergétiques supplémentaires dans l’onduleur 15 et dans la machine électrique 14 de traction qui peuvent être améliorées.
[0012] Des techniques de modulation de largeur d’impulsion plus avancées permettent toutefois d’aller jusqu’au maximum théorique d’environ 63.7% d’exploitation du bus DC HV, et l’amplitude des tensions simples J H • î peut aller jusqu
Figure imgf000004_0002
[0013] C’est la raison pour laquelle un objectif général est d’améliorer la commande des onduleurs, et plus particulièrement des commandes par MLI, de sorte à réaliser une commande optimisée et réduisant les pertes énergétiques.
[0014] Afin d’améliorer cette situation préexistante, de nouvelles méthodes de commandes ont été développées nommées MLI hors-ligne.
[0015] Ces commandes de modulation de largeur d’impulsions, tirant partie des puissances de calcul et de stockage en permanente évolution, ont pour principe de base de précalculer les angles de commutation pour chaque interrupteur de puissance, à l’échelle d’une période fondamentale de la tension à réaliser.
[0016] Ce calcul est réalisé de manière à minimiser une fonction-objectif choisie et ce sur une grande quantité de tensions à réaliser différentes.
[0017] Ces angles précalculés sont alors stockés dans des tables mémorisées et accédées en temps-réel lors de la commande de l’onduleur.
[0018] Afin de simplifier les calculs, ces méthodes hors-lignes procèdent à des simplifications de symétrie du signal en se basant uniquement sur le fondamental des signaux.
[0019] Ces simplifications sont basées sur la symétrie des bras de l’onduleur et se nomment : symétrie quart d’onde, anglais Quarter Wave Symmetry, QWS, pour) ; symétrie demi onde, en anglais Half Wave Symmetry, HWS et la symétrie plein onde, en anglais Full Wave Symmetry, FWS, dans laquelle le calcul est réalisé pour toute la période du signal.
[0020] A titre d’exemple en référence à la figure 2 ; on cherche à ne pas calculer les angles pour chaque IGBT de l’onduleur mais seulement pour une portion d’entre eux afin d’alléger les calculs :
[0021] - Pour la QWS, tel que représenté figure 3a, on ne calcule que les angles pour une première phase Sa, et seulement entre [0, n/2].
[0022] - Pour la HWS, tel que représenté figure 3b, on étend la zone de calcul entre [0, n] et
[0023] - Pour la FWSn tel que représenté figure 3c, la zone s’étend pour toute la période [0, 2n].
[0024] À partir de ces calculs il est aisé de déterminer les positions de chaque interrupteur, sur une période de [0 ; 2n] grâce aux diverses symétries qui existent dans l’onduleur 15.
[0025] L’avantage de réduire l’espace de travail permet de grandement accélérer les calculs, car il y a beaucoup moins de variables de décisions et les calculs sont plus simples.
[0026] On notera alors que dans ce type de méthode, la question n’est plus de calculer sur des commutations de période prédéfinie, mais bien de travailler sur l’état des IGBT de l’onduleur, maintenus dans des états ouverts/ fermés sur des périodes de temps pouvant varier au cours de la période.
[0027] En outre, dans le cadre d’un réseau triphasé, le calcul pour une phase est appliqué aux deux autres phases, prenant en compte le déphasage de n/3 entre les phases d’un réseau triphasé équilibré.
[0028] Toutefois il existe le besoin d’une méthode améliorant encore ces méthodes existantes.
[0029] A cet effet, on propose un procédé de commande d’un onduleur triphasé comprenant une pluralité d’interrupteurs commandés, le procédé de commande comprenant :
[0030] - L’obtention d’un vecteur de tension de référence ;
[0031] - La fourniture d’une table d’angles de commutation précalculés pour une pluralité de vecteurs de tension de référence, de sorte à minimiser une fonction-objectif prédéterminée en fonction de chaque vecteur de tension de référence sur une période du fondamental du vecteur de tension de référence ;
[0032] - Une étape d’acquisition des angles de commutation des interrupteurs commandés précalculés dans ladite table fournie en fonction dudit vecteur de tension de référence ; et
[0033] - Une étape de commande de la commutation des interrupteurs commandés de l’onduleur en fonction des angles de commutation acquis.
[0034] Ainsi, on peut obtenir un signal de commutation des interrupteurs commandés de l’onduleur optimisé, sans effectuer de calcul simplifié par symétrie ou par simplification entre phase. Le procédé selon l’invention permet de tenir compte à la fois de l’effet des trois phases entre elles, notamment en ce qui concerne les harmoniques de rang trois, et permet d’optimiser le signal de commutation sur une période complète.
[0035] En particulier, l’obtention du vecteur de tension de référence comprend la réception d’une tension de consigne à réaliser ; et le calcul d’un vecteur de tension de référence en fonction de ladite tension de consigne.
[0036] En particulier, la tension de référence est un vecteur de tension pour une commande vectorielle par modulation de largeur d’impulsion.
[0037] L’invention concerne aussi un procédé de calcul d’une table d’angles de commutation des interrupteurs commandés d’un onduleur triphasé comprenant :
[0038] - La définition d’une pluralité de vecteurs de tension de référence, [0039] - La définition d’une fonction-objectif à minimiser ;
[0040] - Pour chaque vecteur de tension de référence, le calcul des angles de commutations des interrupteurs commandés minimisant ladite fonction- objectif sur une période fondamentale ; et
[0041] - L’enregistrement desdits angles de commutation calculés sous forme de table permettant d’accéder en fonction d’un vecteur de tension de référence aux angles de commutation précalculés.
[0042] Ainsi, on peut pré-calculer des signaux de commutation des interrupteurs commandés de l’onduleur, sans avoir à réaliser de simplification par symétrie ou de simplification entre phases. Le procédé selon l’invention permet ainsi de tenir compte à la fois de l’effet des trois phases entre elles, notamment en ce qui concerne les harmoniques de rang trois, et permet d’optimiser le signal de commutation sur une période complète. [0043] Avantageusement et de manière non limitative, ladite fonction-objectif est une fonction de réduction du taux de distorsion harmonique de la tension de sortie. Ainsi, on peut obtenir une tension de sortie de l’onduleur relativement optimisée pour le fonctionnement notamment d’un véhicule automobile.
[0044] Avantageusement et de manière non limitative, le calcul des angles de commutation est réalisé pour mettre en œuvre une modulation de largeur d’impulsion par méthode du vecteur spatial, en fonction du vecteur de référence sur une période du fondamental de la tension de référence et minimisant ladite fonction-objectif. Ceci permet de mettre en œuvre une commande performante de l’onduleur de manière relativement optimisée.
[0045] L’invention concerne aussi un dispositif de commande d’un onduleur triphasé comprenant une pluralité d’interrupteurs commandés, le dispositif comprenant :
[0046] - Des moyens d’obtention d’un vecteur de tension de référence ;
[0047] - Des moyens de fourniture d’une table d’angles de commutation précalculés pour une pluralité de vecteurs de tension de référence, de sorte à minimiser une fonction-objectif prédéterminée en fonction de chaque vecteur de tension de référence sur une période du fondamental du vecteur de tension de référence ;
[0048] - Des moyens d’acquisition des angles de commutation des interrupteurs commandés précalculés dans ladite table fournie ; et
[0049] - Des moyens de commande de la commutation des interrupteurs commandés de l’onduleur en fonction des angles de commutation acquis.
[0050] Le dispositif de commande peut comprendre un calculateur embarqué dans un véhicule automobile, comprenant un processeur, un DSP, ou tout type de calculateur connu, des moyens d’entrée-sortie pour permettre la communication entre le processeur et la mémoire stockant la table précalculée, et le processeur comprenant des moyens d’entrée-sortie pour actionner les interrupteurs commandés de l’onduleur.
[0051] On propose aussi un dispositif de calcul d’une table d’angles de commutation des interrupteurs commandés d’un onduleur triphasé comprenant :
[0052] - Des moyens de définition d’une pluralité de vecteurs de tension de référence,
[0053] - Des moyens de définition d’une fonction-objectif à minimiser ;
[0054] - Des moyens de calcul pour chaque vecteur de tension de référence, des angles de commutations des interrupteurs commandés minimisant ladite fonction-objectif sur une période fondamentale ; et
[0055] - Des moyens d’enregistrement desdits angles de commutation calculés sous forme de table permettant d’accéder en fonction d’un vecteur de tension de référence aux angles de commutation précalculés.
[0056] Le dispositif peut être notamment un ordinateur de calcul comprenant un processeur, une mémoire vive et une mémoire de stockage pour enregistrer la table pré-calculée.
[0057] L’invention concerne aussi une mémoire de stockage comprenant une table d’angles de commutation des interrupteurs d’un onduleur triphasé obtenue par le procédé tel que décrit précédemment. Cette mémoire de stockage peut notamment être une mémoire flash, telle qu’une mémoire SSD, un disque dur à tête de lecture, mais aussi un support de stockage de masse tel qu’un disque laser (CD-Rom, DVD, Blu-ray etc.), ou tout autre support de stockage connu.
[0058] L’invention concerne aussi un ensemble électrique d’un véhicule automobile comprenant une batterie d’accumulateurs électriques, un bus de tension continue, un onduleur triphasé, une machine électrique et un dispositif de commande de l’onduleur tel que décrit précédemment.
[0059] On propose aussi un véhicule automobile comprenant un ensemble électrique tel que décrit précédemment.
[0060] D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d’un mode de réalisation particulier de l’invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
[0061] [Fig. 1] est un ensemble électrique selon l’invention ;
[0062] [Fig. 2] est une vue schématique de la méthode du vecteur spatial pour une commande par modulation de largeur d’impulsion d’un onduleur triphasé ;
[0063] [Fig. 3a] est une vue schématique des symétries quart d’onde appliquées pour calculer une modulation de largeur d’impulsion sur une phase ;
[0064] [Fig. 3b] est une vue schématique des symétries demi-onde appliquées pour calculer une modulation de largeur d’impulsion sur une phase ;
[0065] [Fig. 3c] est une vue schématique du calcul d’une modulation de largeur d’impulsion sur une phase pour une période complète;
[0066] [Fig. 4] est un organigramme du procédé de commande selon l’invention ;
[0067] [Fig. 5] est un organigramme du procédé de calcul d’une table d’angles de commutation selon l’invention ;
[0068] [Fig. 6a] est un schéma comparant le procédé de commande selon l’invention à un procédé de MLI hors-ligne de l’art antérieur ;
[0069] [Fig. 6b] est un autre schéma comparant le procédé de commande selon l’invention à un procédé de MLI hors-ligne de l’art antérieur.
[0070] L’invention dans le mode de réalisation décrit vise à commander un onduleur triphasé 15, destiné à fournir une tension alternative de commande à une machine électrique 14 pour un véhicule automobile électrique ou hybride.
[0071] Cet onduleur 15 est connecté à une batterie d’accumulateurs électriques 10 fournissant une tension continue via un bus d’alimentation, dit bus continu ou bus DC, donc la tension continue est généralement notée EDC. L’onduleur est commandé par un micro-contrôleur 18 dont les instructions sont mémorisées dans une mémoire RAM19. La tension VaN représente la tension statorique de la première phase de la machine, iaN le courant statorique de cette premièer phase.
[0072] Selon l’invention la commande de l’onduleur 15 est une commande de modulation de largeur d’impulsion, abrégé en Français MLI et plus communément selon l’abréviation anglaise P WM, selon la méthode du vecteur spatial, dit SVM, pour Space Vector Modulation. On peut abréger globalement la commande sous le nom de SVP WM, pour Space Vector Pulse Width Modulation.
[0073] Cette méthode est bien connue de l’homme du métier. On en rappellera toutefois ci-après les grands principes.
[0074] Afin de commander les tensions alternatives d’un réseau électrique triphasé à réaliser pour une machine électrique 14, partant d’une tension de bus continue EDC, on souhaite simplifier le calcul de la commutation des interrupteurs commandés, en rapportant le problème qui se situe en dimension 3, pour les 3 phases à calculer, sur un problème à deux dimensions.
[0075] A cet effet, on convertit la tension à réaliser Vcommande en un vecteur de tension Vref.
[0076] Cette conversion est bien connue de l’homme du métier et est obtenue par le calcul d’une transformée de Clarke ou de Concordia, que nous ne rappellerons pas ici.
[0077] Ce vecteur de référence Vref est un vecteur inscrit dans un cercle de rayon correspondant à la tension maximale EDC, aussi référencée Vref Max sur la figure 2. Il est toutefois prouvé qu’en condition normale et sans sur-modulation, la norme du vecteur de référence Vref ne peut excéder - = Ce cercle est divisé en 6 secteurs, divisés par 6 vecteurs d’états Vo à Ve, correspondant chacun à un état de commutation de chaque bras de l’onduleur. Deux vecteurs d’états supplémentaires Vo et V? sont les états de roue-libre, pour lesquels aucune tension n’est réalisée par l’onduleur. L’objectif de la modulation de largeur d’impulsion est classiquement d’alterner les vecteurs d’états pour arriver à réaliser en valeur moyenne la tension de référence Vref.
[0078] Ainsi on obtient le tableau suivant :
[0079]
Figure imgf000010_0001
Figure imgf000011_0001
[0080] ou A, B et C représentent chacun un bras de l’onduleur ;
[0081] Sa,Sb,Sc représentent les commande du bras A, B, C de l’onduleur, les valeurs Sa, Sb, Sc représentant les valeurs inverses, chaque bras comprenant deux interrupteurs opposés ne pouvant être fermés en même temps ; et
[0082] les tensions composées VAB, VBC, VCA entre les phases du réseau triphasé en sortie de l’onduleur 15.
[0083] La modulation de la largeur d’impulsion comprenant dès lors le calcul de l’alternance des vecteurs d’états Vo à V? de sorte à réaliser au mieux le vecteur Vref. Sur la figure 2 Vref se décompose en t /Ts * V2 + ti/Ts*Vi avec t2, ti respectivement les durées d’activation des vecteurs V2, Vi et Ts la période de commutation.
[0084] En fonction du secteur dans lequel se situe le vecteur de tension Vref, on détermine la durée et l’alternance de commutation des vecteurs d’état encadrant le secteur, et des vecteurs de roue libre. La séquence de commutation choisie permet ainsi de régler l’angle a de la tension résultante en sortie de l’onduleur.
[0085] Toutefois, il n’existe pas de commande idéale permettant à la fois d’obtenir une annulation totale des harmoniques dans la tension de sortie réalisée et une minimisation optimale des pertes d’énergies dues aux commutations des interrupteurs.
[0086] C’est pourquoi, il existe de nombreuses façons de réaliser la commutation dans le temps des interrupteurs commandés pour réaliser la tension Vref.
[0087] Dans le mode de réalisation principal de l’invention, on procède de manière préalable, autrement dit de manière hors-ligne, au calcul d’une table d’angles de commutations en fonction du vecteur de tension Vref, pour une période complète de la tension fondamentale à réaliser.
[0088] Autrement dit on ne considère dans notre pré-calcul que la fréquence fondamentale de la tension de commande, sur sa période complète et pour les trois phases ensembles.
[0089] Ainsi, on peut optimiser notre calcul en tenant compte des trois phases conjointes, de l’impact que ceci peut avoir sur les harmoniques de rang 3 notamment, et non en réalisant une simplification sur une seule phase.
[0090] Autrement dit on pré-calcule et on stocke les angles de commutation en fonction du vecteur de tension Vref calculé, sans tenir compte de quelque symétrie que ce soit.
[0091] Ainsi, on peut calculer des angles de commutation optimisés pour toute la période fondamentale d’une tension de commande, et ne pas être contraint par une fréquence de commutation imposée, puisque le calcul est réalisé sur une période complète.
[0092] Cette méthode permet ainsi d’optimiser les signaux de commutation en fonction de la fonction-objectif déterminée.
[0093] Pour ce faire on met en œuvre procédé de calcul 200 d’une table d’angles de commutation en fonction d’une tension Vref à réaliser, tel que représenté figure 5.
[0094] A cet effet, on définit 201 dans un premier temps une plage de tension de référence Vref à réaliser pour lesquelles on va pré-calculer ces angles de commutation. La plage de tension réalisable s’étendant entre 0V et -^, le pas de tension choisi entre deux tensions consécutives est de 0,001 EDC-
[0095] Ensuite on définit 202 une fonction-objectif f(x) à minimiser.
[0096] Dans cet exemple de réalisation, la fonction-objectif à réaliser est une fonction minimisant le taux de distorsion harmonique de la tension réalisée.
[0097] Une telle fonction-objectif peut être formulée de manière générale comme suit :
Figure imgf000012_0001
[0099] Avec VaN est le fondamental d’une tension que l’on peut définir comme VaN = mEDC, où m est l’indice de modulation et Eac la tension du bus continu ;
[0100]
[0101] n représente le rang des diverses harmoniques et Vn est l’amplitude de tension pour l’harmonique de rang n. [0102] Cette fonction-objectif de réduction de la distorsion harmonique dépend des angles de commutation des tensions de phase à réaliser et qu’on cherche à obtenir. Cette fonction-objectif est donc ensuite décomposée par une série de Fourier pour chaque bras de l’onduleur comme suit, ce qui fait apparaître ces angles de commutation à obtenir :
Figure imgf000013_0001
[0106] On a donc ao ws la valeur moyenne du signal et la racine carrée de a2 n,Fws + b2 n,Fws donne l’amplitude Vn de la nieme harmonique.
[0107] Le problème de minimisation de cette fonction objectif comprend par ailleurs des contraintes que nous appliquons pour les trois bras afin de s’assurer du fonctionnement correct de l’onduleur :
[0108] [Math 2]
Figure imgf000013_0002
[0111] x est le vecteur de variable de décision contenant les angles de commutations pour chaque bras a,b,c à un instant de commutation k, de l’onduleur tel qu’exposé précédemment. Donc xa est un vecteur d’angles de commutation xa,k pour la première phase, Xb est un vecteur d’angles de commutation Xb,k pour la deuxième phase et xc est un vecteur d’angles de commutation xc,k pour la troisième phase (la notation x ayant remplacé la notation a pour coller à la description habituelle de la fonction objectif).
[0112] N est le nombre de commutations par quart de période désirée pour une période de la tension à réaliser ;
[0113]
[0114] m est l’indice de modulation ;
[0115] dxmin désigne l’écart d’angle minimal entre deux angles de commutation successifs ;
[0116] lb = dxmin est par conséquent un intervalle minimal de temps avant une première commutation en début de période et ub = 2n — dxmin un intervalle minimal de temps avant une première commutation en fin de période ;
[0117] Dans l’ensemble d’équations [Math 2], les trois premières contraintes sont des inégalités qui signifient que l’écart entre les angles de commutation doit respecter un certain minimum de temps, permettant notamment d’éviter de potentielles surtensions délétères pour l’onduleur.
[0118] Les six contraintes suivantes permettent de définir que les angles de commutation doivent être maintenus dans certains intervalles, selon la stratégie choisie. Enfin, les dernières contraintes sont là pour assurer la réalisation de la commande.
[0119] Nous mettons en œuvre une étape de calcul 204 permettant conformément à ce qui est exposé ci-dessus de calculer les différents angles de commutation optimisés pour tous les vecteurs de tension Vref que nous souhaitons anticiper.
[0120] A mesure que les angles sont calculés ils sont ajoutés 205 dans une table stockée en mémoire, par exemple dans une mémoire vive ou dans une mémoire de masse.
[0121] Ensuite, nous procédons à l’enregistrement 206 de cette table ainsi constituée dans une mémoire informatique, en particulier dans une mémoire flash ou tout type de disque dur.
[0122] Cette table peut ainsi fournir pour un vecteur de tension Vref donné, les angles de commutations optimisés sur une période complète de la tension fondamentale de la tension Vref. [0123] Ensuite, une fois cete table enregistrée, on peut mettre en œuvre le procédé de commande 100 de l’onduleur 15, tel que représenté figure 4.
[0124] On procède à l’acquisition 103 de la table précalculée. Ceci peut être notamment l’adressage par un processeur de la zone mémoire ou est stockée cette table de sorte à pouvoir l’interroger.
[0125] On met aussi en œuvre une étape d’obtention 102 d’un vecteur de tension de commande Vref .
[0126] Généralement le vecteur de tension Vref est calculé par transformation d’une tension de commande Vcommande requise 101 par le système de commande de la machine électrique 14.
[0127] On met en œuvre une étape d’acquisition 104 des angles de commutation des interrupteurs commandés précalculés dans ladite table fournie, puis et on met en œuvre une étape de commande 105 de la commutation des interrupteurs commandés de l’onduleur en fonction des angles de commutation acquis.
[0128] Ces étapes de commandes peuvent ensuite être répétées pendant toute la période d’activation de la machine électrique 14 de sorte à s’assurer de fournir en permanence une tension en sortie de l’onduleur 15 optimisée.
[0129] Afin d’être particulièrement performant, la table précalculée est stockée dans une mémoire vive, dite mémoire RAM, afin de pouvoir fournir de manière très rapide les angles de commutations pour une période de la tension à réaliser en temps réel. Ceci permet d’obtenir une commande rapide et optimisée de l’onduleur.
[0130] La fonction-objectif est ici indiquée comme une fonction minimisant le taux de distorsion harmonique.
[0131] Comme on le voit figures 6a et 6b, on montre que de manière expérimentale, la méthode selon l’invention fournit, en référence aux courbes 81 et 83, un taux de distorsion harmonique toujours inférieur ou égal à la méthode de calcul d’une MLI hors-ligne en onde pleine de l’art antérieur, respectivement courbes 82 et 84, et ce quel que soit le nombre de commutations N pris par période et quel que soit l’indice de modulation dans une plage de ]0, 0.65],
[0132] Dans le cadre d’un véhicule automobile, la réduction du taux de distorsion harmonique est la fonction-objectif préférée, car elle vise à réduire les pertes énergétiques. D’autres fonctions objectif peuvent toutefois être mises en œuvre, par exemple une augmentation du rendement, ou encore la diminution du rayonnement électromagnétique de façon à améliorer la compatibilité électromagnétique.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de commande (100) d’un onduleur triphasé (15) comprenant une pluralité d’interrupteurs commandés (Sa, Sa, Sb, Sb, Sc, Sc), le procédé de commande (100) comprenant :
- L’obtention (102) d’un vecteur de tension de référence (Vref) ;
- la fourniture (103) d’une table d’angles de commutation précalculés pour une pluralité de vecteurs de tension de référence (Vref), de sorte à minimiser une fonction-objectif prédéterminée en fonction de chaque vecteur de tension de référence (Vref) sur une période du fondamental du vecteur de tension de référence (Vref);
- Une étape d’acquisition (104) des angles de commutation des interrupteurs commandés précalculés dans ladite table fournie en fonction dudit vecteur de tension de référence (Vref)j et
- Une étape de commande (105) de la commutation des interrupteurs commandés de l’onduleur en fonction des angles de commutation acquis.
[Revendication 2] Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’obtention (102) du vecteur de tension de référence (Vref) comprend la réception d’une tension de consigne (101) à réaliser ; et le calcul (102) d’un vecteur de tension de référence (Vref) en fonction de ladite tension de consigne.
[Revendication 3] Procédé de commande selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la tension de référence (Vref) est un vecteur de tension pour une commande vectorielle par modulation de largeur d’impulsion.
[Revendication 4] Procédé de calcul (200) d’une table d’angles de commutation des interrupteurs commandés d’un onduleur triphasé comprenant :
- La définition (201) d’une pluralité de vecteurs de tension de référence (Vref), - La définition (202) d’une fonction-objectif à minimiser ;
- Pour chaque vecteur de tension de référence (Vref), le calcul (204) des angles de commutations des interrupteurs commandés minimisant ladite fonction-objectif sur une période fondamentale ; et
- L’enregistrement (206) desdits angles de commutation calculés sous forme de table permettant d’accéder en fonction d’un vecteur de tension de référence (Vref) aux angles de commutation précalculés.
[Revendication 5] Procédé de calcul (200) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite fonction-objectif est une fonction de réduction du taux de distorsion harmonique de la tension de sortie.
[Revendication 6] Procédé de calcul (200) selon l’une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le calcul des angles de commutation est réalisé pour mettre en œuvre une modulation de largeur d’impulsion par méthode du vecteur spatial, en fonction du vecteur de référence (Vref) sur une période du fondamental de la tension de référence (Vref) et minimisant ladite fonction-objectif.
[Revendication 7] Dispositif de commande (18) d’un onduleur triphasé comprenant une pluralité d’interrupteurs commandés, le dispositif comprenant :
- Des moyens d’obtention d’un vecteur de tension de référence (Vref) ;
- Des moyens de fourniture (19) d’une table d’angles de commutation précalculés pour une pluralité de vecteurs de tension de référence (Vref), de sorte à minimiser une fonction-objectif prédéterminée en fonction de chaque vecteur de tension de référence (Vref) sur une période du fondamental du vecteur de tension de référence (Vref);
- Des moyens d’acquisition des angles de commutation des interrupteurs commandés précalculés dans ladite table fournie ; et - Des moyens de commande de la commutation des interrupteurs commandés de l’onduleur en fonction des angles de commutation acquis.
[Revendication 8] Dispositif de calcul d’une table d’angles de commutation des interrupteurs commandés d’un onduleur triphasé comprenant :
- Des moyens de définition d’une pluralité de vecteurs de tension de référence (Vref),
- Des moyens de définition d’une fonction-objectif à minimiser ;
- Des moyens de calcul pour chaque vecteur de tension de référence (Vref), des angles de commutations des interrupteurs commandés minimisant ladite fonction- objectif sur une période fondamentale ; et
- Des moyens d’enregistrement desdits angles de commutation calculés sous forme de table permettant d’accéder en fonction d’un vecteur de tension de référence (Vref) aux angles de commutation précalculés.
[Revendication 9] Mémoire de stockage (19) comprenant une table d’angles de commutation des interrupteurs d’un onduleur triphasé obtenue par le procédé selon l’une quelconque des revendications 4 à 6.
[Revendication 10] Ensemble électrique (1) d’un véhicule automobile comprenant une batterie d’accumulateurs électriques (10), un bus de tension continue, un onduleur triphasé (15), une machine électrique (14) et un dispositif de commande (18) de l’onduleur selon la revendication 7.
[Revendication 11] Véhicule automobile comprenant un ensemble électrique (1) selon la revendication 8.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4937508A (en) * 1989-05-12 1990-06-26 Sundstrand Corporation VSCF start system with precision voltage
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