Brevet FR2825853A1 — publié le 20021213

La présente invention concerne un procédé de contrôle d'un moteur synchrone caractérisé par sa constante de couple kit, pour fournir un couple moteur Tmot en fonction de la vitesse du moteur (n) et du couple souhaité (T,, f), ledit procédé faisant appel à une commande vectorielle dans laquelle on calcule les courants de référence l'dref et Isqref définissant l'angle de calage fpar rapport à l'axe q. Dans les systèmes de direction assistée électrique, qu'il s'agisse des directions assistées purement électriques de type EPAS où le moteur agit directement sur la colonne de direction ou sur la crémaillère, ou des directions assistées électrohydrauliques de type EHPS, où le moteur agit sur la crémaillère par l'intermédiaire d'un système hydraulique, le moteur électrique est utilisé pour produire un couple d'assistance Cette assistance ne devant être fournie que sur demande, les systèmes de direction assistée électrique consomment moins de carburant que les directions assistées purement hydrauliques. Il est donc important que le moteur électrique et son calculateur électronique associé aient un bon rendement tout en étant de petite taille. Lors des manoeuvres de stationnement, le moteur électrique doit pouvoir fournir un couple moteur élevé à une vitesse moteur relativement faible. D'un autre côté, le moteur doit être capable en cas d'urgence de fournir un couple d'assistance moins important pour une vitesse moteur élevée. Pour ces deux situations, les fabricants de directions assistées ont fixé deux points de fonctionnement : le point parking , caractérisé par un couple élevé et une vitesse moyenne, et le point coup de volant caractérisé par un couple moyen et une vitesse élevée. Dans le cas d'une conduite normale (manoeuvres de stationnement, virage), le rendement et les courants du moteur sont des paramètres décisifs, dans la mesure où ces manoeuvres sont souvent réalisées. Le rendement du moteur électrique et celui du calculateur électronique doivent donc être élevés dans cette situation (faible vitesse volant à faible vitesse moteur). D'un autre côté, les coups de volant d'urgence n'arrivent que rarement et n'ont qu'une faible durée. C'est pourquoi le rendement du moteur et celui du calculateur électronique ne jouent pas un rôle déterminant dans cette situation. Des systèmes de direction assistée électrique utilisant différents types de moteurs ont été proposés. Les moteurs à courant continu (moteur DC), avec balai ou sans balais à f. c. é. m. trapézoïdale, n'offrent pas la possibilité d'appliquer un contrôle par défluxage. Le flux du rotor est fixé par les aimants permanents et ne peut pas être réduit pour le contrôle. C'est pourquoi, la constante de couple de ces moteurs est en général faible, induisant des courants moteur importants lors du stationnement. L'électronique doit être dimensionnée en conséquence, ce qui a un impact sur le coût du calculateur électronique et sur son rendement. Les moteurs à courant alternatif à induction, quant à eux, permettent un contrôle par défluxage direct mais le rendement du moteur est faible en raison des pertes par cuivre dans le rotor. Les courants moteur sont alors comparables à ceux des moteurs DC sans défluxage. Il est donc préférable de faire appel à des moteurs synchrones. Le mode de commande de ce type de moteurs le plus couramment utilisé consiste à fournir un courant constant et à augmenter la tension en fonction de la vitesse jusqu'à la tension maximale. A cette vitesse, la commande entre en saturation et il n'est plus possible de réguler le courant. Au-delà de cette vitesse le couple diminue et peut même passer en dessous de zéro produisant ainsi un couple de freinage dangereux pour le conducteur. En tenant compte des contraintes de commande citées précédemment, le moteur et le calculateur électronique, pour être capables d'atteindre le point coup de volant , devront être surdimensionnés pour les utilisations courantes, lorsque la vitesse volant est faible. Cela se traduit par un courant moteur important et donc une consommation de carburant élevée. Si pour contourner ce problème, le moteur est dimensionné pour que la saturation ait lieu près du point parking , le point coup de volant ne peut pas être atteint. On connaît une commande dite à puissance maximale, comme celle décrite dans un article de Shigeo Morimoto, Masayuki Sanda et Qoji Takeda paru dans IEEE Industry Applications Magazine, November/December 1996, page 18. La commande se fait selon deux modes en fonction de la vitesse de rotation du moteur. Tant que la vitesse moteur est inférieure à la vitesse de base, le courant est fixé au maximum tandis que la tension est augmentée en fonction de la vitesse jusqu'à atteindre sa valeur maximale. A cette vitesse de base on arrive à un point de saturation à partir duquel il n'est plus possible de réguler le courant. Le moteur est alors forcé par défluxage. En maintenant le courant et la tension à leur valeur maximale respective, on introduit du courant id sur l'axe d du repère d-q. Plus la vitesse du moteur augmente, plus la valeur du courant id sur l'axe d augmente au détriment de la valeur iq sur l'axe q, jusqu'à ce que iq devienne nul. L'objectif de l'invention est de développer un procédé de contrôle permettant de consommer des courants moteur relativement faibles pour les manoeuvres courantes, telles que les manoeuvres de stationnement ou de direction en roulant, sans se préoccuper de la consommation de courant moteur pour les manoeuvres d'urgence peu fréquentes et de courte durée. Cet objectif est atteint par le procédé dans lequel les courants de référence Isqref et Isdref sont calculés de la façon suivante : deux vitesses de référence sont fixées (n, nmax) ainsi que le courant moteur maximal Imax ; - les courants de référence Isdref et Isqref sont calculés en fonction de la vitesse moteur n et du couple souhaité Trek : - si Inl le courant de référence souhaité est calculé : /-t I, qrel == - Trel/kt et l'drel == lsqrel-ul tan (\fI) si > =-ax cos () signe () et Isdref = I,,, sin (T) - Si 7 ! , l, qrel == 0 et lSdrel == lmax. Quelle que soit la vitesse du moteur n, le procédé permet de commander le moteur sans que les régulateurs de courant entrent en saturation. Tant que la vitesse est inférieure à celle correspondant à #max, le couple moteur Tao, correspond au couple souhaité Tref Pour les vitesses supérieures à la vitesse correspondant à l'angle de calage le courant moteur a atteint la limite Imax de sorte qu'il faut augmenter I5drej au détriment de Isqref. Le couple moteur ne correspond plus au couple souhaité A partir de la vitesse nmax, l'angle de calage vaut rr/2 et le couple moteur est nul. Le moteur ne risque donc pas de fournir un couple de freinage passé cette vitesse limite. Avec ce procédé, la vitesse nominale nn du moteur, et donc la constante de couple, peut être choisie proche de la vitesse maximale dans les manoeuvres de stationnement. Par conséquent, la consommation de courant moteur est plus faible que dans les cas d'une commande classique. Il est préférable que lorsque nn : g Inl Ce procédé est particulièrement adapté pour la commande de moteurs synchrones pour système de direction assistée, qu'il s'agisse de direction assistée purement électrique de type EPAS ou de direction électro-hydraulique de type EHPS. Lorsque le procédé est utilisé pour la commande de dispositifs de direction assistée, les vitesses de référence (nn, nmax) sont déterminées de sorte à ce que la caractéristique couple-vitesse dérivant du procédé passe par les points de fonctionnement correspondant aux manoeuvres de stationnement et aux coups de volant (point parking et point coup de volant ). L'invention concerne également les dispositifs de mise en oeuvre du procédé. Le procédé de l'invention va être décrit plus en détail ci-dessous à l'aide des figures suivantes : Figure 1 : Diagramme de phase des courants et des tensions moteur sur les axes d-q pour un moteur commandé selon le procédé conforme à l'invention, à l'exemple d'un couple quelconque inférieur au couple maximal ; Figure 2 : Courbe du couple moteur maximal en fonction de la vitesse du moteur, (1) pour un moteur commandé sans défluxage et (2) pour un moteur commandé selon le procédé conforme à l'invention ; Figure 3 : Courbe du courant moteur en fonction de la vitesse à couple maximal, (1) pour un moteur commandé sans défluxage et (2) pour un moteur commandé selon le procédé conforme à l'invention, les courbes étant enregistrées à couple maximal ; Figure 4 : Courbe du courant batterie en fonction de la vitesse à couple maximal, (1) pour un moteur commandé sans défluxage et (2) pour un moteur commandé selon le procédé conforme à l'invention, les courbes étant enregistrées à couple maximal. Le procédé consiste à calculer les courants de référence Isqref et Isdref nécessaires à la commande du moteur en fonction de la vitesse du moteur n et du couple souhaité Trel. Il s'applique notamment aux moteurs synchrones triphasés à aimants de surface. On distingue trois régions en fonction de la vitesse du moteur n. Dans une première région, la vitesse du moteur n est inférieure à la vitesse de base ou vitesse de défluxage nn. L'angle de calage ! est fixé à zéro, le courant de référence Isdref est donc nul. Le courant de référence Isqref est calculé en fonction du couple souhaité Tref et de la constante de couple k, connue pour chaque modèle de moteur : - ! Lorsque la vitesse n dépasse la vitesse de défluxage nn tout en restant en dessous de la vitesse nuzzle contrôle commence le défluxage. Pour cela, on fait varier l'angle de calage de 0 à TT/2 de façon linéaire par rapport à l'augmentation de la vitesse. L'angle de calage se calcule selon la formule suivante : Le courant de référence Isqref-ul est calculé en fonction du couple souhaité Tref : Isqref-ul = Abs(Tref/Kt). Etant donné que le courant défini par les courants de référence ne doit pas être supérieur au courant moteur maximal il n'est pas possible d'augmenter indéfiniment le courant/. Cette limitation se traduit par un angle de calage au-delà duquel il ne sera plus possible de fournir le couple souhaité. Cet angle de calage maximal dépend du couple souhaité et il se calcule de la façon suivante : IF.. = Arc COS (Iqref-ul/,..) L'angle de calage # représenté à la figure 1 définit l'angle entre le courant moteur Imot et l'axe q. Le courant 15dref découle directement de l'angle # selon la relation trigonométrique 1 dref = Isqref-ui tan (Y). Tant que l'angle de calage Fest inférieur à l'angle de calage le courant de référence lçlref sera proportionnel au couple souhaité et l'on aura : lsqref ="/- Dans ces conditions, la tension V à appliquer au moteur restera inférieure à la tension contre-électromotrice E et donc toujours inférieure à la tension maximale Vmax conformément à la formule suivante : V - E + j#LsIsqref - #LsIsdref où west la vitesse angulaire électrique et Z, l'inductance statorique. Cette relation est également illustrée à la figure 1. La résistance statorique n'est pas prise en compte par souci de simplicité pour la représentation. Par contre, lorsque la vitesse sera supérieure à celle correspondante à le courant de référence Isqref ne sera plus proportionnel au couple souhaité T,, f, comme cela est illustré à la figure 1, et l'on aura : Isqref = -Imax cos(#)signe(Tref) et Isdref = I,,,. sin (IF). Lorsque la vitesse atteindra la vitesse maximale nmax correspondant à un angle de caiage ! = TT/2,) e courant de référence Isqref sera nul et Id,, vaudra Imax. A partir de cette vitesse, le couple moteur est nul. Le rendement du moteur est donc nul, le moteur consomme beaucoup de courant (Imax) sans produire de couple. L'évolution du couple moteur Tmo, en fonction de la vitesse du moteur n est représentée à la figure 2 où la première courbe représente le couple moteur d'un moteur synchrone commandé sans défluxage et la seconde courbe le couple moteur d'un moteur synchrone commandé avec le procédé de l'invention. Les deux courbes passent par deux points caractéristiques : le point parking qui se situe à environ 1 200 tours/min et qui se reconnaît par la séparation des deux courbes, et le point coup de volant qui se situe à environ 2 750 tours/min, point de croisement des deux courbes. Les deux moteurs remplissent donc les exigences pour une utilisation dans un système de direction assistée. Par contre, le premier moteur pour remplir ces exigences a un courant moteur de 90 A contre seulement 55 A pour le second moteur. Le calculateur électronique est donc plus économique. Dans la commande selon le procédé, le courant moteur à couple maximal reste constant sur tout l'intervalle de vitesse envisagé, tandis que dans la commande classique sans défluxage le courant moteur reste constant jusqu'à ce que la tension atteigne sa valeur maximale au-delà de laquelle le courant diminue. Ce principe est représenté à la figure 3. Le courant batterie correspondant, représenté à la figure 4, est également plus faible dans la région correspondante aux conditions normales d'utilisation. Dans ces conditions normales d'utilisation vers 1 000 tours/min, le courant batterie du moteur commandé par le procédé selon l'invention est plus faible que celui du moteur commandé sans défluxage. Ce n'est par contre pas le cas dans la zone de vitesse correspondant au coup de volant vers 2 700 tours/min. Cependant, cette situation étant exceptionnelle et de courte durée, cette valeur plus importante est sans incidence réelle sur la consommation de carburant. Les vitesses de référence nn et nma,, la première correspondant au début du défluxage, la seconde correspondant à la vitesse maximale à partir de laquelle le couple moteur est nul, sont définies en fonction des objectifs fixés, donc du point parking et du point coup de volant ainsi que de la tension Vmax, le courant maximal Imax étant imposé par le calculateur électronique. Grâce au procédé selon l'invention, il est possible de choisir un moteur et un calculateur électronique dimensionnés pour atteindre le point parking et donc ayant un courant moteur relativement faible, et de forcer par défluxage ce moteur dont les dimensions n'auraient pas permis d'atteindre le point coup de volant sans contrôle. Ce moteur nécessitant des courants moteur moindres, les composants électroniques utilisés pour le processeur sont plus économiques et la consommation de carburant est diminuée, tout du moins dans les conditions normales d'utilisation Ce procédé se distingue des procédés connus, notamment de celui présenté dans le document de Shigeo Morimoto cité dans l'introduction, entre autre par la présence d'un intervalle de vitesse caractérisé par une vitesse supérieure à la vitesse de base n, d'une part et par un angle de calage compris entre 0 et dans lequel le couple moteur Tmo' correspond au couple souhaité Bref. Par ailleurs, les pertes joules sont prises en compte lors du choix des valeurs de calibration nn et nmax. Revendications 1. Procédé de contrôle d'un moteur synchrone caractérisé par sa constante de couple kit, pour fournir un couple moteur Tmot en fonction de la vitesse du moteur (n) et du couple souhaité (Tref), ledit procédé faisant appel à une commande vectorielle dans laquelle on calcule les courants de référence Isdref et Isqref définissant l'angle de calage # par rapport à l'axe q, caractérisé en ce que, les courants de référence Isdref et Isqref sont calculés de la façon suivante : deux vitesses de référence sont fixées (nn, nmax) ainsi que le courant moteur maximal Imax ; - les courants de référence Isdref et Isqref sont calculés en fonction de la vitesse moteur n et du couple souhaité Tref : si #n# le courant de référence Isqreful souhaité est calculé : Isqref-ul = Abs(Tref # kt), et l'angle correspondant est calculé : y. = Arc C S (Isqref-ul/Imax) les courants de référence sont calculés en fonction de la valeur de l'angle de calage, si ., f =-max cos (T) signe (T,, f) et I, d,, f = I... sin (IF) si si Inl -'re/'-'maxl, qref = 0 et l'dref = 1 rnax. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque nn aux et ! 3. Utilisation du procédé selon la revendication 1 pour la commande de moteurs synchrones pour système de direction assistée. 4. Utilisation selon la revendication 3, caractérisé en ce que les vitesses de référence (nn, , ) sont déterminées de sorte à ce que la caractéristique couple-vitesse dérivant du procédé passe par les points de fonctionnement correspondant aux manoeuvres de stationnement et aux coups de volant. 5. Utilisation selon la revendication 3, caractérisé en ce que le système de direction assistée est un système purement électrique de type EPAS. 6. Utilisation selon la revendication 3, caractérisé en ce que le système de direction assisté est un système électro-hydraulique de type EHPS.