Brevet FR3006129A1 — publié le 20141128

Procédé de commande d'une machine électrique synchrone, système correspondant et véhicule automobile comprenant le système L'invention concerne la commande d'une machine électrique synchrone à aimant permanent et en particulier la commande des machines électriques destinées à équiper les véhicules automobiles à traction électrique ou hybride. Dans les véhicules automobiles à traction électrique, le couple fourni par un moteur électrique doit être contrôlé. Le couple d'une machine électrique étant directement lié au courant circulant dans celle-ci, ces courants doivent être commandés de façon précise. Dans une machine synchrone, notamment une machine synchrone triphasée à aimant permanent et à flux axial, les courants circulant dans les trois phases du stator sont sinusoïdaux et déphasés chacun de Ic rad . Ces courants créent un champ magnétique tournant 3 dans la machine électrique. Le rotor est composé d'un aimant permanent, par exemple muni de cinq paires de pôles. Comme une boussole, le rotor s'aligne naturellement sur le champ magnétique tournant créé par le stator. Ainsi, la fréquence de rotation du rotor est égale à la fréquence des courants du stator. Ce sont les amplitudes des courants du stator et la puissance des aimants du rotor qui créent le couple nécessaire à la rotation de la machine. Pour commander ces courants, il faut donc appliquer à chaque phase du stator des tensions sinusoïdales déphasées de -27crad chacune également. 3 Généralement, il est plus simple d'appliquer une régulation sur des constantes que sur des signaux sinusoïdaux. La transformée de Park est généralement utilisée pour projeter un système triphasé sur un espace bidimensionnel pour se retrouver dans un repère tournant équivalent. Il est ainsi possible de transposer les trois courants et les trois tensions sinusoïdales du stator relatives aux trois phases d'un système triphasé dans un espace où les signaux sinusoïdaux s'expriment sous la forme de signaux constants (une composante sur l'axe direct d et une composante sur l'axe en quadrature q). Dans le cas d'une machine synchrone le repère de Park est lié au rotor. En travaillant avec des courants et des tensions exprimées dans l'espace de Park, il est ainsi possible d'agir sur des courants et des tensions constantes plutôt que sur des signaux sinusoïdaux pour réguler la machine triphasée à commander. En faisant la transformée inverse, il est possible de se ramener au repère normal de la machine et donc de savoir exactement quelles tensions ou quels courants appliquer sur chaque phase de la machine. Généralement on utilise des batteries pour alimenter ces machines. L'utilisation d'une batterie limite les commandes possibles. De ce fait il n'est pas possible d'appliquer n'importe quelles consignes. Les consignes dépassant ces limites peuvent, si elles sont appliquées, rendre la machine instable. Parmi les contraintes à respecter, il convient généralement d'empêcher la saturation de la machine. On pourra se référer au document US 3851234 qui décrit une méthode pour éviter la saturation magnétique en réduisant la vitesse du moteur de couple. On pourra également se référer au document US 5015937 qui décrit la commande d'une machine synchrone à rotor bobiné en boucle ouverte avec des tables de données destinées à éviter les saturations. Le document US 6181091 décrit la commande d'une machine synchrone à aimant permanent dans laquelle la saturation est évitée en modifiant le fonctionnement de la modulation à largeur d'impulsions qui appliquent des tensions sur chaque branche du moteur. L'invention a pour but de limiter la durée d'une saturation. L'invention a également pour but de conserver la régulation du couple qui doit être fournie par la machine électrique. L'invention a donc pour objet, selon un premier aspect, un procédé de commande d'une machine électrique synchrone à aimant permanent alimentée par une batterie délivrant une tension d'alimentation à ses bornes. Selon une caractéristique générale, le procédé comprend : - un calcul d'une composante initiale directe de tension et d'une composante initiale quadratique de tension dans un repère tournant comprenant une pluralité d'axes, - une vérification d'une condition de saturation dans laquelle on vérifie, dans un repère orthogonal ayant pour abscisse les composantes directes de tension et pour ordonnée les composantes quadratiques de tension, que le point de coordonnées Vdc et Vqc est en dehors d'un domaine dépendant de Vbat et délimité par un contour, Vdc désignant la composante initiale directe de tension, Vqc désignant la composante initiale quadratique de tension et Vbat désignant la tension d'alimentation aux bornes de la batterie, et, si la condition de saturation est vérifiée, - un calcul d'un angle a =arctan ( Vqc Vdc ) - une élaboration de tensions à appliquer à la machine électrique si a varie négativement et Vdc est positif ou si a varie positivement et Vdc est négatif, en déterminant le point d'intersection entre ledit contour et la droite passant par l'origine du repère orthogonal et ledit point de coordonnées Vdc et Vqc, la composante directe de tension à appliquer étant l'abscisse de l'intersection et la composante quadratique de tension à appliquer étant l'ordonnée de l' intersection. Dans ce procédé, si une condition n'est pas vérifiée, alors on applique les tensions déjà appliquées. Comme on le conçoit, le procédé est mis en oeuvre à un instant, avec toujours la même période entre deux mises en oeuvres. Ce sont les tensions d'une mise en oeuvre précédente qui seront appliquées si une condition n'est pas vérifiée dans le procédé. Le calcul d'une composante initiale directe de tension et d'une composante initiale quadratique de tension peut être mis en oeuvre par n'importe quel moyen, par exemple en utilisant un correcteur proportionnel intégral ou un correcteur proportionnel intégral dérivé. Le procédé selon l'invention peut donc être mis en oeuvre avec différents systèmes existants. Vb Le domaine peut être un cercle de rayon at centré sur l'origine du repère orthogonal. Ainsi, si VVdc2 +Vqc2 est supérieur à Vbat, alors on considère que la machine électrique est en saturation. Si Vi - Aussi, ladite élaboration de tensions à appliquer peut comprendre une élaboration de tensions à appliquer à la machine électrique avec une composante directe de tension à appliquer égale à 15 Vb co s(a) et une composante quadratique de tension à appliquer égale ,/3 Vb1t s.n(a) si a varie négativement et Vdc est positif ou si a varie positivement et Vdc est négatif. Pour obtenir un bon couple et limiter les pertes, il convient de limiter le courant circulant dans l'axe direct. De ce fait, si l'évolution 20 de l'angle a prise en considération avec le signe de la tension Vdc indique que la tension sur l'axe direct va augmenter, alors on sort de la saturation en appliquant de nouvelles valeurs de tension qui permettent de conserver cet angle a . Si la machine est en saturation mais que l'on va vers une 25 diminution de la tension dans l'axe direct, alors on applique les tensions appliquées précédemment. On obtient ainsi un bon couple. L'invention a également pour objet, selon un autre aspect, un système de commande d'une machine électrique synchrone à aimant permanent alimenté par une batterie ayant une tension à ses bornes. 30 Selon une caractéristique générale, le système comprend : cette condition n'est pas vérifiée, on peut alors appliquer les tensions appliquées lors de la dernière mise en oeuvre du procédé, après une transformée inverse de Park. La vérification d'une condition de saturation peut comprendre une comparaison entre VVdc2 +Vqc2 et Vbat - des moyens de calculs configurés pour délivrer une composante initiale directe de tension et une composante initiale quadratique de tension dans un repère tournant comprenant une pluralité d'axes, - des moyens de calcul configurés pour vérifier une condition de saturation dans un repère orthogonal ayant pour abscisse les composantes directes de tension et pour ordonnée les composantes quadratiques de tension, les moyens configurés pour vérifier une condition de saturation sont configurés pour vérifier que le point de coordonnées Vdc et Vqc est en dehors d'un domaine dépendant de Vbat et délimité par un contour, Vdc désignant la composante initiale directe de tension, Vqc désignant la composante initiale quadratique de tension et Vbat désignant la tension d'alimentation aux bornes de la batterie, et, si la condition de saturation est vérifiée- des moyens de Vqcc calcul configurés pour calculer un angle a =arctan( si ladite Vd ) condition de saturation est vérifiée, - des moyens d'élaboration de tensions à appliquer à la machine électrique configurés pour déterminer, si la condition de saturation est vérifiée et si a varie négativement et Vdc est positif ou si a varie positivement et Vdc est négatif,, le point d'intersection entre ledit contour et la droite passant par l'origine du repère orthogonal et ledit point de coordonnées Vdc et Vqc, la composante directe de tension à appliquer étant l'abscisse de l'intersection et la composante quadratique de tension à appliquer étant l'ordonnée de l' intersection. Les moyens de calcul configurés pour vérifier une condition de saturation peuvent être en outre configurés pour comparer VVdc2 +Vqc2 Vbat et Vi - Les moyens d'élaboration de tensions à appliquer à la machine électrique peuvent être en outre configurés pour élaborer une Vb composante directe de tension à appliquer égale à at cos(a) et une 3 a, Vb t composante quadratique de tension à appliquer égale a sin(a) si a varie négativement et Vdc est positif ou si a varie positivement et Vdc est négatif. L'invention a également pour objet, selon encore un autre aspect, un véhicule automobile à traction électrique ou hybride comprenant une machine synchrone à aimant permanent et ledit système. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre différentes étapes d'un procédé selon l' invention, - la figure 2 illustre un système selon l'invention, et - la figure 3 illustre une représentation graphique pour déterminer si la machine est en saturation. Sur la figure 1, on a représenté de manière schématique des étapes d'un procédé selon un aspect de l'invention. Dans cette exemple, la condition de saturation correspond à la vérification qu'un point est dans un cercle de rayon Vbat Ce procédé permet de commander une machine électrique synchrone, par exemple une machine synchrone de véhicule automobile à traction électrique ou hybride. Le procédé comprend une étape E01 de calcul d'une composante initiale directe de tension notée Vdc et d'une composante initiale quadratique de tension notée Vqc dans un repère tournant comprenant une pluralité d'axes, par exemple le repère de Park. Le calcul de Vdc et de Vqc peut être mis en oeuvre par n'importe quel moyen, par exemple en utilisant un correcteur proportionnel intégral ou un correcteur proportionnel intégral dérivé. Le procédé comprend ensuite une étape de test E02 dans Vb laquelle on compare V tVdc2+Vqc2 et , Vbat étant la tension -N/3 d'alimentation fournie par la batterie qui alimente la machine électrique. Si cette condition n'est pas vérifiée, on met en oeuvre l'étape E02' dans laquelle on applique directement à la machine Vdc et Vqc. Si VVdc2 +Vqc2 est supérieur à Vb,at , on met en oeuvre une étape E03 de calcul d'un angle noté a , obtenu par le calcul suivant = arctan( Vqc Vdc ) Le calcul de l'angle a permet de mettre en oeuvre une autre étape de test E04 dans laquelle, à un instant t, on vérifie comment varie alpha par rapport à la précédente mise en oeuvre du procédé à l'instant t-At, et on vérifie le signe de Vdc. Si a varie négativement et que Vdc est positif, ou si a varie positivement et que Vdc est négatif, alors on peut mettre en oeuvre Vb l'étape E05 et appliquer une tension sur l'axe direct égale à at cos(a) a, Vb t . et une tension sur l'axe quadratique égale a sin(a) Si le test de l'étape E04 n'est pas vérifié, alors l'étape E06 est mise en oeuvre, dans laquelle on applique les tensions déjà appliquées lors de la mise en oeuvre précédente du procédé. Sur la figure 2, on a représenté schématiquement un système SYS de commande d'une machine électrique synchrone à aimant permanent alimenté par une batterie. Les différents moyens de calcul du système SYS peuvent être compris dans une unité de calcul, par exemple une unité de commande électronique d'un véhicule automobile. Le système SYS comprend des moyens de calculs 1 configurés pour mettre en oeuvre l'étape E01 et délivrer une composante initiale directe de tension Vdc et une composante initiale quadratique de tension Vdc dans un repère tournant comprenant une pluralité d'axe, par exemple le repère de Park. Vdc et Vqc étant des consignes de tension calculées lors de l'étape E01 que l'on souhaite appliquer. Le système SYS comprend également des moyens de calcul 2 pour mettre en oeuvre l'étape E02 et configurés pour comparer VVdc2 +Vqc2 et Vbat Le système SYS comprend également des ( V qc moyens de calcul 3 configurés pour calculer un angle a =arctan si VVdc2 +Vqc2 est Vd c ) , (et mettre en oeuvre l'étape E03). Vbat supérieur a Le système SYS comprend également des moyens d'élaboration 4 de tensions à appliquer à la machine, les moyens étant configurés Vb pour délivrer, si VVdc2 +Vqc2 est supérieur à at une composante directe de tension à appliquer égale à Vbat cos(a) et une composante ,/3 quadratique de tension à appliquer égale à Vb sin(a) s.n(a) si a varie négativement et Vdc est positif ou si a varie positivement et Vdc est négatif. Il convient de noter que dans l'espace de Park, le système d'équation à commander pour la machine synchrone est le suivant : - Vd =Rs1 d ± Ld I d-CO,Lql q (1) Vq=Rs1 q + Lq I q- COr(Lcil d +0 j) Avec Vd et Vq les tension appliquées sur les deux axes respectivement direct et en quadrature du plan de Park de la machine, Id et Iq les courants circulant dans la machine sur les deux axes respectivement direct et en quadrature du plan de Park, Rs la résistance équivalente du stator de la machine, Ld et Lq les inductances sur chaque axe respectivement direct et en quadrature du plan de Park de la machine, cor la vitesse de rotation du champ magnétique de la machine (soit la vitesse de rotation du rotor multipliée par le nombre de paires de pôles de la machine), et Of le flux généré par les aimants du rotor. Vi - Pour une machine dans laquelle Ld et Lq sont égaux, on obtient la valeur de couple électromagnétique Cern suivante : Cern pcl)f/q Avec p le nombre de paires de pôles du rotor de la machine. C'est ce couple que l'on souhaite conserver tout en évitant la saturation. La figure 3 est une représentation graphique de valeurs de tensions respectivement direct et en quadrature (Vd en abscisse et Vq en ordonnée) du plan de Park de la machine. Sur cette figure, on a représenté par un cercle en trait épais la limite de saturation. Les points de fonctionnement situés à l'intérieur de ce cercle correspondent à des fonctionnements non-saturés. Si on obtient par calcul le point de fonctionnement A, correspondant à VdcA et VqcA, on peut constater que l'on est en saturation. On peut alors déterminer l'angle a représenté sur la figure 3. Si on constate que l'angle a a diminué par rapport à la dernière mise en oeuvre du procédé, et puisque VdcA est positif, alors on applique des composantes de tension directe et en quadrature en choisissant un point correspondant à l'intersection entre le cercle et la droite partant de l'origine avec un angle a . Ce point a pour abscisse VdaA et pour ordonnée VqaA. Si au contraire l'angle a a augmenté, alors on continue d'appliquer les mêmes valeurs de tension. Si on obtient par calcul le point de fonctionnement B, correspondant à VdcB (négatif) et VqcB, on peut constater que l'on est en saturation. On peut alors déterminer l'angle a ' représenté sur la figure 3. Si on constate que l'angle a' a augmenté par rapport à la dernière mise en oeuvre du procédé, et puisque VdcB est négatif, alors on applique des composantes de tension directe et en quadrature en choisissant un point correspondant à l'intersection entre le cercle et la droite partant de l'origine avec un angle a '. Ce point a pour abscisse VdaB et pour ordonnée VqaB. Si au contraire l'angle a a diminué, alors on continue d'appliquer les mêmes valeurs de tension. Grâce à l'invention, on peut rapidement sortir d'une saturation, tout en conservant une bonne régulation des tensions, en particulier un courant nul sur l'axe direct. REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'une machine électrique synchrone à aimant permanent alimentée par une batterie délivrant une tension d'alimentation à ses bornes, caractérisé en ce qu'il comprend : - un calcul (E01) d'une composante initiale directe de tension et d'une composante initiale quadratique de tension dans un repère tournant comprenant une pluralité d'axes, - une vérification d'une condition de saturation (E02) dans laquelle on vérifie, dans un repère orthogonal ayant pour abscisse les composantes directes de tension et pour ordonnée les composantes quadratiques de tension, que le point de coordonnées Vdc et Vqc est en dehors d'un domaine dépendant de Vbat et délimité par un contour, Vdc désignant la composante initiale directe de tension, Vqc désignant la composante initiale quadratique de tension et Vbat désignant la tension d'alimentation aux bornes de la batterie, et, si la condition de saturation est vérifiée, T7qc - un calcul (E03) d'un angle a =arctan (Vdc ) - une élaboration (E04) de tensions à appliquer à la machine électrique si a varie négativement et Vdc est positif ou si a varie positivement et Vdc est négatif, en déterminant le point d'intersection entre ledit contour et la droite passant par l'origine du repère orthogonal et ledit point de coordonnées Vdc et Vqc, la composante directe de tension à appliquer étant l'abscisse de l'intersection et la composante quadratique de tension à appliquer étant l'ordonnée de l' intersection. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite vérification d'une condition de saturation (E02) comprend une comparaison entre VVdc2 +Vqc2 et Vbat Vi - 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ladite élaboration de tensions à appliquer (E03) comprend une élaboration detensions à appliquer à la machine électrique avec une composante Vb directe de tension à appliquer égale à ato,_ c s(a) et une composante Vb . quadratique de tension à appliquer égale à at 1,_ s n(a) si a varie négativement et Vdc est positif ou si a varie positivement et Vdc est négatif. 4. Système de commande d'une machine électrique synchrone à aimant permanent alimenté par une batterie ayant une tension à ses bornes, caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens de calculs (1) configurés pour délivrer une composante initiale directe de tension et une composante initiale quadratique de tension dans un repère tournant comprenant une pluralité d'axes, - des moyens de calcul (2) configurés pour vérifier une condition de saturation dans un repère orthogonal ayant pour abscisse les composantes directes de tension et pour ordonnée les composantes quadratiques de tension, les moyens configurés pour vérifier une condition de saturation sont configurés pour vérifier que le point de coordonnées Vdc et Vqc est en dehors d'un domaine dépendant de Vbat et délimité par un contour, Vdc désignant la composante initiale directe de tension, Vqc désignant la composante initiale quadratique de tension et Vbat désignant la tension d'alimentation aux bornes de la batterie, et, si la condition de saturation est vérifiée- des moyens de Vqcc calcul (3) configurés pour calculer un angle a =arctan( si ladite Vd ) condition de saturation est vérifiée, - des moyens d'élaboration (4) de tensions à appliquer à la machine électrique configurés pour déterminer, si la condition de saturation est vérifiée et si a varie négativement et Vdc est positif ou si a varie positivement et Vdc est négatif,, le point d'intersection entre ledit contour et la droite passant par l'origine du repère orthogonal et ledit point de coordonnées Vdc et Vqc, la composante directe de tension à appliquer étant l'abscisse de l'intersection et laVi - 6. Système selon la revendication 5, dans lequel lesdits moyens d'élaboration (4) de tensions à appliquer à la machine électrique sont configurés pour élaborer une composante directe de tension à appliquer égale à Vb,at cos(a) et une composante quadratique de tension 10 à appliquer égale à Vb,at sin(a) si a varie négativement et Vdc est positif ou si a varie positivement et Vdc est négatif. 7. Véhicule automobile à traction électrique ou hybride comprenant une machine synchrone à aimant permanent et le système de commande de la machine selon les revendications 3 à 6. composante quadratique de tension à appliquer étant l'ordonnée de l' intersection. 5. Système selon la revendication 4, dans lequel les moyens de calcul (2) configurés pour vérifier une condition de saturation sont en outre configurés pour comparer VVdc2 +Vqc2 et Vbat