Brevet FR2904163A1 — publié le 20080125

Procédé d'ajustement de paramètres d'un moteur synchrone et variateur de vitesse utilisant un tel procédé La présente invention se rapporte à un procédé d'ajustement de paramètres moteur dans un variateur de vitesse électronique, de type convertisseur de fréquence, destiné au contrôle et à la commande d'un moteur électrique de type synchrone à aimants permanents au rotor, appelé également moteur PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor). L'invention concerne également un variateur de vitesse mettant en oeuvre un tel procédé. Un variateur de vitesse électronique de type convertisseur de fréquence est chargé de commander un moteur triphasé PMSM. Le variateur est alimenté par un réseau électrique alternatif à fréquence fixe et délivre au moteur une alimentation en courant alternatif dont la tension et la fréquence sont variables, en fonction des consignes de vitesse et des exigences de l'application. Pour cela, un variateur de vitesse comporte une unité de traitement capable de piloter une électronique de commande. Pour obtenir de bonnes performances du moteur, la commande du variateur de vitesse doit être basée sur une représentation fiable d'un modèle électrique du moteur utilisant un ensemble de paramètres physiques. Il faut donc connaître un certain nombre de données représentatives des caractéristiques du moteur pour établir ce modèle. Certaines de ces données moteur sont fournies par le constructeur du moteur électrique à commander. Ces données sont habituellement inscrites dans la documentation du moteur, par exemple. Cependant, toutes les données nécessaires à l'élaboration du modèle du moteur ne sont pas toujours fiables ou peuvent dépendre de l'environnement du moteur, et il est donc nécessaire d'estimer certains paramètres, par calcul ou par mesure à l'aide de différentes méthodes envisageables, pour obtenir un modèle fidèle du moteur. Ces méthodes utilisent par exemple une phase préalable d'identification ou d'auto-apprentissage du moteur ou mémorisent dans le variateur des séries de valeurs estimées correspondant aux paramètres à estimer à l'aide de tableaux de données ou calculent certains paramètres au moyen d'équations empiriques. 2904163 2 En particulier, les paramètres électriques suivants peuvent être mal connus lors du fonctionnement : la résistance statorique du moteur RS, la constante de flux du moteur KE (ou constante de force électromotrice) et les composantes de l'inductance moteur LD et LQ, respectivement suivant l'axe d et suivant l'axe q, le repère d,q étant 5 un repère orthogonal tournant à la vitesse de rotation du moteur. De plus, certains paramètres moteur peuvent évoluer dans le temps durant le fonctionnement du moteur, en particulier la résistance statorique RS qui fluctue beaucoup avec la température du moteur. Si, à un instant donné, il existe une erreur dans l'estimation de la valeur de cette résistance statorique RS, alors le courant 10 électrique fourni au moteur par le variateur peut être plus important que nécessaire au point de fonctionnement nominal du moteur. De même, les composantes de l'inductance moteur d'axe d LD et d'axe q LQ du moteur peuvent varier lors d'un fonctionnement en zone de défluxage (au-delà de la vitesse nominale). Or, la précision dynamique du couple fourni par le moteur 15 dépend de la précision de la valeur de l'inductance moteur. Lorsque le moteur est piloté par un courant d'axe d (ou courant de flux) nul, l'erreur sur l'inductance LD d'axe d n'est pas observable. Il est néanmoins préférable de l'adapter par homogénéité de la même manière que l'inductance LQ d'axe q. De même, la valeur de la constante de flux KE du moteur peut varier lors d'un 20 fonctionnement en zone de défluxage ou avec la température du moteur. Or, la précision du couple fourni par le moteur dépend de la précision de la valeur de la constante de flux. On peut ainsi dégrader les performances de l'ensemble variateur + moteur en entraînant des problèmes de consommation, de surchauffe ou en générant des 25 oscillations de courant, de vitesse et de couple. Il serait donc appréciable de pouvoir ajuster, en cours de fonctionnement, les paramètres préalablement estimés de façon à optimiser la commande du moteur. C'est pourquoi l'invention a pour but, lorsqu'une mesure de la vitesse moteur 30 existe dans le variateur (c'est-à-dire avec un fonctionnement en boucle fermée), de corriger en temps réel les valeurs de la résistance statorique RS du moteur, des composantes LD et LQ de l'inductance moteur et de la constante de flux KE du moteur, 2904163 3 en utilisant le terme intégral de la boucle de courant, permettant ainsi d'ajuster les valeurs des paramètres du modèle moteur. Pour cela, l'invention décrit un procédé d'ajustement de paramètres moteur dans un variateur de vitesse destiné à la commande d'un moteur électrique synchrone 5 PMSM. Le procédé comprend une étape de détermination d'un premier écart entre une référence du courant de couple moteur et une mesure du courant de couple moteur, et d'un second écart entre une référence du courant de flux moteur et une mesure du courant de flux moteur, une étape de calcul d'une valeur de correction de la résistance statorique du moteur, d'une valeur de correction de l'inductance moteur 10 et d'une valeur de correction de la constante de flux du moteur, à partir du terme intégral dudit premier écart et du terme intégral dudit second écart, une étape d'ajustement des valeurs des paramètres du modèle moteur à partir desdites valeurs de correction de la résistance statorique du moteur, de l'inductance moteur et de la constante de flux du moteur et une étape d'élaboration des tensions de commande à 15 appliquer au moteur en utilisant lesdites valeurs ajustées des paramètres moteur. Selon une caractéristique, la référence du courant de couple est obtenue à partir d'une référence de la vitesse moteur et d'une mesure de la vitesse du moteur. Selon une autre caractéristique, l'ajustement de la valeur d'un paramètre du modèle moteur est effectué durant l'étape d'ajustement seulement lorsque la valeur 20 d'une ou plusieurs grandeurs caractéristiques de ce paramètre dépasse un seuil prédéterminé, cette valeur ou ces valeurs dépendant de la mesure de vitesse moteur et de la référence du courant de couple moteur. L'invention décrit également un variateur de vitesse doté d'une unité de traitement comprenant un bloc régulateur de courant fournissant des tensions de 25 commande du moteur. Le bloc régulateur de courant comporte un bloc intégrateur, un bloc adaptateur et un bloc compensation pour mettre en oeuvre le procédé d'ajustement de paramètres moteur. D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description 30 détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente un schéma simplifié de la commande d'un moteur synchrone selon l'invention, 2904163 4 la figure 2 détaille le bloc régulateur de courant 15 de la figure 1. En référence à la figure 1, un variateur de vitesse, de type convertisseur de fréquence, est chargé de commander et contrôler un moteur électrique M synchrone 5 triphasé de type PMSM, grâce à une unité de traitement 10 capable notamment de piloter une électronique de commande (non représentée sur la figure 1). Un capteur de vitesse permet de fournir au variateur un retour de la vitesse réelle du moteur Wm. Par la suite, la référence du courant d'axe q IQref sera notée référence courant de couple IQref et la référence du courant d'axe d IDref sera notée référence courant de 10 flux IDref. Cette dernière notation est utilisée même si, dans la plage de fonctionnement normal d'un moteur PMSM, le courant de flux IDref est égal à zéro car le flux est déjà présent grâce à l'aimant du moteur. Néanmoins, en cas de défluxage le courant de flux peut être différent de zéro. Comme indiqué précédemment, le repère d,q est un repère orthogonal tournant à la vitesse de rotation du moteur. 15 L'unité de traitement 10 du variateur de vitesse comprend un bloc régulateur de vitesse 11 qui reçoit en entrée une référence de la vitesse moteur Wref et la mesure de vitesse moteur Wm, de manière à délivrer en sortie une référence du courant de couple moteur IQref. Cette référence du courant de couple IQref est déterminée avec précision puisqu'elle s'appuie sur une valeur réelle mesurée Wm de 20 la vitesse moteur. L'unité de traitement 10 du variateur de vitesse comprend ensuite un bloc régulateur de courant 15 qui reçoit en entrée une référence du courant de flux moteur IDref et la référence du courant de couple moteur IQref issue du bloc 11. Le bloc 15 reçoit également les valeurs mesurées des courants de couple et de flux moteur, 25 respectivement IQm, 'Dm , ainsi que la mesure de vitesse moteur Wm. Les valeurs IQm, IDm peuvent provenir d'un bloc convertisseur 12 qui transforme de façon connue des mesures issues de capteurs de courant sur les conducteurs d'alimentation du moteur (c'est-à-dire conversion par rotation des courants des trois phases du moteur en coordonnées dans le repère d,q). 30 Le bloc régulateur de courant 15 fournit en sortie des tensions de commande de flux UD et de commande de couple UQ à un bloc convertisseur 13 qui les transforment de manière connue en consignes de tension vers une électronique de 2904163 5 commande alimentant les différentes phases du moteur M au moyen de composants semi-conducteurs de puissance. Selon l'invention, le bloc régulateur de courant 15 comprend un bloc 5 intégrateur 16 qui calcule le terme intégral d'un premier écart AIQ existant entre la référence du courant de couple moteur IQref et la mesure du courant de couple moteur IQm, et le terme intégral d'un second écart AID existant entre la référence du courant de flux moteur IDref et la mesure du courant de flux moteur 'Dm. Au point de fonctionnement d'équilibre du moteur, nous avons la relation 10 suivante écrite sous forme vectorielle : f r (IDref i ù IDm) _ f AID f IQref ù IQm ) \ f AIQ / (ARS = k AL AK- E i ( dans laquelle ARS représente la valeur relative de correction de la résistance statorique RS, AKE représente la valeur relative de correction de la constante de flux KE et AL représente la valeur relative de correction de l'inductance moteur. En effet, 15 on assimile ALD à la valeur de correction mesurée ALQ et on les nomme simplement AL. Selon un mode réalisation, il est possible d'envisager une valeur de correction AL ne portant que sur la composante d'axe q LQ de l'inductance moteur. Néanmoins, il est préférable que la valeur de correction AL porte sur les deux composantes d'axe d LD et d'axe q LQ de l'inductance moteur. 20 Le coefficient k peut s'exprimer comme une matrice de transfert dépendant des paramètres et du point de fonctionnement qui s'obtient par la relation suivante : 0 iARS Wm * LQ * IQref DL 0 Wm *KE AK- E i Ainsi, en régime stable de fonctionnement du moteur, le calcul des termes 25 intégraux des écarts de courant AID et AIQ permettent de déterminer en temps réel des valeurs de correction ARS, AL et AKE à appliquer à la résistance statorique RS, aux composantes d'axe d LD et d'axe q LQ de l'inductance et à la constante de flux KE du moteur de façon à pouvoir d'affiner en permanence le modèle moteur avec des fAIQ 0 -R *1 S Qref 2904163 6 valeurs réelles de la résistance statorique RS, des composantes LD, LQ de l'inductance et de la constante de flux KE. Le bloc régulateur de courant 15 comprend donc un bloc adaptateur de paramètres 18 qui reçoit en entrée les termes intégraux de AID et de AIQ de façon à 5 calculer ARE, AL et AXE pour obtenir des valeurs corrigées de la résistance statorique RS, des composantes LD, LQ de l'inductance et de la constante de flux KE du moteur, ainsi que des autres paramètres moteur qui dépendent de ces paramètres, comme par exemple TS, la constante de temps électrique. Grâce à l'invention, tant que les termes intégraux de AID et de AIQ ne seront pas nuls, les paramètres RS, LD, LQ et KE 10 seront ajustés permettant ainsi d'améliorer en continu les paramètres du modèle moteur. Une fois que les valeurs exactes de RS, LD, LQ et KE seront atteintes, les termes intégraux de AID et de AIQ convergeront alors vers zéro. Les nouveaux paramètres corrigés sont ensuite introduits dans un bloc compensation 17 (appelé aussi feed-forward) qui calcule les parties statiques (offset) 15 de la tension de commande de flux UDstat et de la tension de commande de couple UQstat, grâce aux relations suivantes : UDstat = RS * IDref ù LQ * Wm * IQref UQstat = Rs * IQref + LD * Wm * IDref + Wm * KE Les parties statiques des tensions UDstat, UQstat issues du bloc compensation 20 17 sont ensuite additionnées avec les termes proportionnels et intégraux de respectivement AID, AIQ issus de la sortie du bloc intégrateur 16, pour fournir en sortie du bloc régulateur de courant 15 les consignes des tensions de commande de flux UD et de commande de couple UQ à appliquer au moteur, selon les relations : UD UDstat + Kp *AID + Kt* j 'AL 25 UQ = UQstat + Kp * AIQ + Kt * J AIQ dans lesquelles Kp et Kt représentent respectivement le gain proportionnel et le gain intégral de la régulation de courant. Le procédé d'ajustement comprend donc les étapes suivantes : 2904163 7 une étape de détermination du terme intégral du premier écart AIQ, et du terme intégral du second écart AID, réalisée dans le bloc intégrateur 16, une étape de calcul de la valeur de correction ARE, de la valeur de correction AL et de la valeur de correction AXE à partir du terme intégral du 5 premier écart AIQ et à partir du terme intégral du second écart AID, une étape d'ajustement des valeurs des paramètres RS, LD, LQ et KE du modèle moteur à partir des valeurs de correction ARE, AL et AKE, ces deux étapes étant réalisées dans le bloc adaptateur 18, une étape d'élaboration en sortie du bloc régulateur 15 de la tension de 10 commande de flux UD et de la tension de commande de couple UQ appliquées au moteur M, en utilisant les valeurs ajustées des paramètres moteur. Cette étape d'élaboration de UD et UQ comprend une étape de calcul des parties statiques UDstat et UQstat dans le bloc compensation 17 et une étape d'addition de UDstat et UQstat avec les termes proportionnels et 15 intégraux de AID et AIQ pour fournir UD et UQ. Préférentiellement, l'étape d'ajustement de chacun des différents paramètres RS, LD, LQ et KE est mise en oeuvre à l'aide du procédé décrit dans la présente invention sous certaines conditions. L'ajustement de la valeur d'un paramètre du 20 modèle moteur est effectué seulement lorsque la valeur d'une ou plusieurs grandeurs caractéristiques associées à ce paramètre dépasse un seuil prédéterminé. En effet, lorsque la valeur d'une ou des grandeurs caractéristiques associées à ces paramètres se situe en dessous d'un seuil prédéterminé, les autres paramètres du moteur deviennent prépondérants par rapport à ce paramètre à ajuster. L'ajustement de ce 25 paramètre pourrait donc induire une erreur relative qui risquerait de perturber le bon fonctionnement du procédé décrit. L'ajustement des valeurs des paramètres RS, LD, LQ et KE est réalisé de la manière suivante : - La résistance RS est ajustée seulement lorsque les valeurs de ses grandeurs 30 caractéristiques I IQref / Wm I et I IQref I dépassent toutes les deux des seuils prédéterminés. Par exemple, le seuil pour la grandeur I IQref/Wm I correspond environ au ratio entre la constante de flux nominal KE mémorisée par défaut et la résistance statorique RS mémorisée par défaut et le seuil pour la 2904163 8 grandeur I IQref I correspond au ratio entre une tension minimale et la résistance statorique RS mémorisée par défaut, cette tension minimale ayant une valeur définie comme égale au centième de la tension nominale du moteur. 5 - Les composantes LD, LQ de l'inductance sont ajustées seulement lorsque la grandeur I Wm * IQref I dépasse un seuil prédéterminé. Par exemple, ce seuil correspond environ au ratio entre une tension minimale et l'inductance LQ mémorisée par défaut, avec la valeur de la tension minimale définie comme 10 égale au centième de la tension nominale du moteur. - La constante de flux KE est ajustée seulement lorsque les grandeurs I Wm / IQref I et I Wm I dépassent toutes les deux des seuils prédéterminés. Par exemple, le seuil pour la grandeur I Wm / IQref I correspond environ au ratio entre la résistance statorique mémorisée par défaut et la constante de flux KE 15 mémorisée par défaut tandis que le seuil pour la grandeur I Wm I correspond au ratio entre une tension minimale et la constante de flux KE mémorisée par défaut, la tension minimale étant définie comme égale au centième de la tension nominale du moteur. 20 Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents. REVENDICATIONS 1. Procédé d'ajustement de paramètres moteur dans un variateur de vitesse destiné à la commande d'un moteur électrique synchrone à aimants permanents (M), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape de détermination d'un premier écart (AIQ) entre une référence du courant de couple moteur (lQref) et une mesure du courant de couple moteur (lQm), et d'un second écart (AID) entre une référence du courant de flux moteur (IQref) et une mesure du courant de flux moteur (lDm), - une étape de calcul d'une valeur de correction (ARs) de la résistance statorique du moteur, d'une valeur de correction (AL) de l'inductance moteur et d'une valeur de correction (AKE) de la constante de flux du moteur, à partir du terme intégral dudit premier écart (AIQ) et du terme intégral dudit second écart (AID), - une étape d'ajustement des valeurs des paramètres du modèle moteur à partir desdites valeurs de correction (ARS, AL, AKE) de la résistance statorique du moteur, de l'inductance moteur et de la constante de flux du moteur, - une étape d'élaboration des tensions de commande (UD, UQ) à appliquer au moteur (M) en utilisant lesdites valeurs ajustées des paramètres moteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la référence du courant de couple (lQref) est obtenue à partir d'une référence de la vitesse moteur (Wref) et d'une mesure de la vitesse du moteur (Wm). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ajustement de la valeur d'un paramètre du modèle moteur est effectué durant l'étape d'ajustement seulement lorsque la valeur d'une ou plusieurs grandeurs caractéristiques de ce paramètre dépasse un seuil prédéterminé, cette valeur ou ces valeurs dépendant de la mesure de vitesse moteur (Wm) et de la référence du courant de couple moteur (lQref). 2904163 10 4. Variateur de vitesse destiné à la commande d'un moteur électrique synchrone à aimants permanents (M), doté d'une unité de traitement (10) comprenant un bloc régulateur de courant (15) fournissant des tensions de commande du moteur (M), caractérisé en ce que le bloc régulateur de courant 5 (15) comporte : - Un bloc intégrateur (16) pour déterminer un premier écart (AIQ) entre une référence du courant de couple moteur (lQref) et une mesure du courant de couple moteur (lQm), et un second écart (AID) entre une référence du courant de flux moteur (IDref) et une mesure du courant de flux moteur 10 (lDm), - Un bloc adaptateur (18) calculant une valeur de correction (ARs) de la résistance statorique du moteur, une valeur de correction (AL) de l'inductance moteur et une valeur de correction (AKE) de la constante de flux du moteur, à partir du terme intégral dudit premier écart (AIQ) et du 15 terme intégral dudit second écart (AID), et ajustant des valeurs des paramètres du modèle moteur à partir desdites valeurs de correction (ARS, AL, AKE) de la résistance statorique du moteur, de l'inductance moteur et de la constante de flux du moteur, - Un bloc compensation (17) utilisant lesdites valeurs ajustées des 20 paramètres moteur pour élaborer des tensions de commande (UD, UQ) à appliquer au moteur (M). 5. Variateur de vitesse selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'unité de traitement (10) comporte un bloc régulateur de vitesse (11) calculant la référence du courant de couple (lQref) à partir d'une référence de la vitesse moteur 25 (Wref) et d'une mesure de la vitesse du moteur (Wm). 6. Variateur de vitesse selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ajustement de la valeur d'un paramètre du modèle moteur est effectué dans le bloc adaptateur (18) seulement lorsque la valeur d'une ou plusieurs grandeurs caractéristiques de ce paramètre dépasse un seuil prédéterminé, cette valeur ou 30 ces valeurs dépendant de la mesure de vitesse moteur (Wm) et de la référence du courant de couple moteur (lQref).