Brevet FR3020730A1 — publié le 20151106

Procédé d'estimation de l'angle électrique d'une machine électrique asynchrone pour véhicule automobile L'invention a pour domaine technique la commande de machines électriques, et en particulier, la commande de machines électriques asynchrones. La machine électrique asynchrone, de par sa construction, est la machine électrique la plus robuste et la moins chère du marché. Les progrès concernant la commande de telles machines et les avancées technologiques considérables, tant dans le domaine de l'électronique de puissance que dans celui de la micro-électronique, ont rendu possible l'implantation de commandes performantes de cette machine faisant d'elle un concurrent redoutable dans les secteurs de la vitesse variable et du contrôle rapide du couple. Cependant de nombreux problèmes demeurent. L'influence des variations des paramètres de la machine et la présence de capteurs mécaniques sont autant de difficultés qui ont aiguisé la curiosité des chercheurs et ingénieurs. Parmi les capteurs mécaniques, le capteur d'angle électrique qui permet de connaître la position de l'angle électrique du rotor de la machine est particulièrement coûteux. Il existe un problème technique relatif à la détermination de l'angle électrique du rotor sans capteur dédié. De l'état de la technique, on connaît les documents suivants. Le document US 2013/0289934A1 décrit un procédé pour estimer le flux du stator à partir des signaux de la tension et des courants de la machine, servant ensuite à estimer le flux rotorique de la machine à partir du flux statorique. Le procédé comprend aussi la détermination de l'angle électrique et sa dérivée. Le document US 2007/0194742A1 décrit l'estimation du flux sans impliquer un observateur au sens propre du terme mais plutôt avec des signaux sinusoïdaux décalés. Le document CN102983806 décrit une simple technique d'estimation du flux statorique. Un tel document n'est donc pas pertinent vis-à-vis du présent problème à résoudre. Le document CN102437813 décrit une méthode pour remonter à l'angle et à la vitesse du rotor à partir du flux rotorique, pour une machine synchrone à aimant permanent. Par ailleurs, l'enseignement du document implique une utilisation extensive du filtrage physique au travers d'une extraction de la fondamentale de la tension et courant du rotor. Un tel document n'est donc pas pertinent vis-à-vis du présent problème à résoudre. L'invention a pour objet un procédé d'estimation de l'angle électrique d'une machine électrique asynchrone pour véhicule automobile, comprenant les étapes suivantes : on détermine les composantes des courants et tensions d'alimentation du rotor et du stator de la machine électrique dans un repère diphasé de Clarke en fonction des composantes des courants et tensions d'alimentation du rotor et du stator dans un repère triphasé, on détermine les composantes du flux du stator dans le repère diphasé de Clarke en fonction des composantes du courant du stator et des composantes du flux du rotor dans le repère diphasé de Clarke, on détermine les composantes de flux du rotor dans le repère diphasé de Clarke en fonction des composantes du courant d'alimentation du rotor dans le repère diphasé de Clarke et des composantes du flux magnétique du rotor dans le repère diphasé de Clarke et d'une correction des non linéarités fonction des composantes du courant, de la tension d'alimentation et du flux du stator dans le repère diphasé de Clarke, et on détermine l'angle électrique comme l'arctangente du rapport entre les deux composantes de flux du rotor exprimées dans le repère diphasé de Clarke. On peut déterminer la correction des non linéarités des composantes en fonction de l'écart entre les valeurs observées et les consignes des composantes des courants d'alimentation du stator et du rotor dans le repère diphasé de Clarke, de paramètres de réglage, la résistance du rotor, l'inductance du rotor, l'inductance mutuelle entre le rotor et le stator et le produit de la vitesse de rotation mécanique par le nombre de paires de pôles de la machine. 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 le repère triphasé et le repère diphasé de Clarke, - la figure 2 illustre les différents repères usuels en commande électrique, et - la figure 3 illustre les principales étapes du procédé d'estimation. Afin de réaliser la mise en équation de la machine asynchrone, on préfèrera utiliser la transformation de Clarke plutôt que celle de Concordia pour passer des grandeurs triphasées (a,b,c) aux grandeurs diphasées (a,(3). De plus, contrairement au plan de Park et à la transformation correspondante, le référentiel monophasé de Clarke tourne comme les tensions du stator. Il est donc possible de mesurer l'angle électrique dans ce système tournant. Par contre, cela ne serait pas possible dans un repère lié au rotor comme celui de Park qui ne tourne pas. Le produit vectoriel suivant permet de passer du repère des grandeurs triphasées au repère des grandeurs diphasées : Xa Xb C' ['cal (Eq. 1) Xc xR Avec C23 = 1 -1 -1 3 0 2 2 2 2 Le produit vectoriel suivant permet de passer du repère des grandeurs diphasées au repère des gradeurs triphasées : [xa =C' xR 1 0 Avec C32 = 1 2 2 1 2 2 X a Xb Xc (Eq. 2) Les inventeurs ont eu l'idée surprenante d'utiliser la connaissance de la commande de la machine pour simplifier le modèle utilisé. Les tensions du stator sont commandées de manière à obtenir un flux rotorique nul sur l'axe q de la machine, c'est-à-dire dans la direction orthoradiale à l'axe magnétique du rotor, ce qui rend la commande performante du point de vue rendement. Dans le repère de Park (d,q), le flux rotorique est orienté sur l'axe d, de sorte à obtenir une valeur nulle de la composante en quadrature (pqr du flux, ce qui est illustré par la figure 2. Le repère de Park n'est ici mentionné que pour expliquer le raisonnement ayant amené les inventeurs à concevoir le modèle d'observateur du flux rotorique. L'observateur obtenu permet de passer directement du repère triphasé au repère diphasé de Clarke. On reconstruit ensuite les deux composantes du flux rotorique (Yotr,(ppr) pour pouvoir remonter à l'angle électrique Os, sans passer par un capteur physique. L'équation suivante montre la reconstitution de l'angle Os partir des composantes a et p du flux (dans un référentiel lié au stator), dans le cas d'une orientation du flux rotorique telle qu'explicitée ci-dessus. s = Arctg ' (Eq. 3) pr (Par Avec (pp, la composante du flux rotorique sur l'axe f3 du repère de Clarke et (par la composante du flux rotorique sur l'axe a du repère de Clarke, les axes a et f3 étant définis par les équations Eq.1 et Eq.2. Toute la difficulté réside alors dans l'estimation des flux. En effet, il est connu que les tensions d'alimentation de la machine électrique ne sont pas appliquées d'une façon précise, ce qui est dû aux non-linéarités de l'onduleur (convertisseur). Compte tenu que l'angle Os est déterminé en fonction des courants mesurés et des tensions d'alimentation de la machine électrique, il est nécessaire que l'observateur utilisé dans cette détermination soit robuste vis-à-vis de ces non-linéarités et éventuellement vis-à-vis de la variation des paramètres de la machine. Dans un référentiel lié au stator, on a le système d'équations suivant : iyas = Lsl as + ((par -m'as) (Eq. 4) Lr (Pps = Lsl ps + (q) pr - M1 ils.) Lr Avec : (pas et (pus: composantes du flux statorique, Ias et Ips sont les courants mesurés circulant dans la machine, Ls l'inductance du stator, Lr l'inductance du rotor, M l'inductance mutuelle, (Par et (ppr composantes du flux rotorique. Le système d'équations (Eq. 4) peut être réécrit de la façon suivante afin de faire apparaître les tensions de stator Vas, Vps, dans le référentiel diphasé de Clarke.30 6 clias _Rs 1 as ± t a Pas + 6in . (Pps 1- cy as (m 1 Vas r G ri:5 dl ps hs 1 ± a y ils, CM m ( Pas + 1V ps I3S dt G t ri:5 d(Par _ " 1 a -1(par - CO,n(P: dt 'Cr 13r r G dt t r r t r dy pr M / 1 y isw ± (Mar Avec: M2 R = R + s s L2 M2 G = L s - M OC = - Lr = r Lr Rr et Lr (Eq. 5) Vas et Vps les tensions appliquées au stator, 10 Rs la résistance du stator de la machine, Rr la résistance du rotor de la machine, com la vitesse de rotation mécanique multipliée par le nombre de paires de pôles de la machine. 15 A partir du système d'équations (Eq. 5), on obtient l'observateur de flux suivant en insérant des termes correctifs permettant de corriger d'éventuelles non-linéarités de l'onduleur. d î as - 17e s : 1 a + a (Pas cts +CM m (i 3 R + 1 Vas + U ni(I as - î ccs)+ U112 (IPS 48 dt a s t rG G 's G di ps = hs i ps ± a () p s CM M (Pas + 1 7p s ± I 1 21(Ic S - îcS )± U122(1 PS - 48dt G trG c c ) d'liar M î ar _ 1 (i i ar - comq3 i3r + t I (pli(' as + l as)+ Uipi2 (I ps - jps) dt 'Cr 'Cr di) pr _ M î _ 1 ([3 ± (i) (i3 ar + t I ,p21(1 as + î as)+U (p22(1 ps - 48) dt 'Cr 13r tir 13r m (Eq. 6) Avec les termes correcteurs M 'Cr 1+8p (1-vcrp)(1+8p) r8COm M (1-vcrp)(1+8p) 'Cr 1+8p (18 CGT rScom K +K + a (1+T rp)(1+8p) p p CGT rScom (U/11 U/12 a (1 -vcrp)(1 + Sp) U121 U/22 (18 + K + a (1+ r p)(1+ Sp) p p a (1 +T rp)(1 + Sp) Et avec : ([3. et (i3i3, les observateurs des composantes du flux statorique, Îas et Îps les observateurs de courants statoriques circulant dans la machine sur les axes respectifs a et p du repère de Clarke, Ô, K, et Kp des paramètres de réglage de l'observateur, P l'opérateur de Laplace. Sur la figure 3, on peut voir les principales étapes du procédé d'estimation de l'angle électrique. Au cours d'une première étape 1, on détermine les composantes des courants et tensions d'alimentation ( (Uyll Uy12 Uy 21 Uy 22 suivants : ti r8com du rotor et du stator de la machine électrique dans un repère diphasé de Clarke en fonction des composantes des courants et tensions d'alimentation du rotor et du stator dans un repère triphasé. Le procédé se poursuit au cours d'une deuxième étape 2, au cours de laquelle on détermine les composantes du flux du stator dans le repère diphasé de Clarke en fonction des composantes du courant du stator et des composantes du flux du rotor dans le repère diphasé de Clarke. On obtient le flux statorique en fonction du courant statorique et du flux rotorique en appliquant l'équation (Eq. 4). Au cours d'une troisième étape 3, on détermine les composantes de flux du rotor dans le repère diphasé de Clarke en fonction des composantes du courant d'alimentation du rotor dans le repère diphasé de Clarke et des composantes du flux magnétique du rotor dans le repère diphasé de Clarke et d'une correction des non linéarités fonction des composantes du courant, de la tension d'alimentation et du flux du stator dans le repère diphasé de Clarke. On obtient le flux rotorique en fonction notamment du courant rotorique en appliquant le système d'équations (Eq. 6). Le procédé se termine à l'étape 4, au cours de laquelle on détermine l'angle électrique comme l'arctangente du rapport entre les deux composantes de flux du rotor exprimées dans le repère diphasé de Clarke. REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation de l'angle électrique d'une machine électrique asynchrone pour véhicule automobile, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes : on détermine les composantes des courants et tensions d'alimentation du rotor et du stator de la machine électrique dans un repère diphasé de Clarke en fonction des composantes des courants et tensions d'alimentation du rotor et du stator dans un repère triphasé, on détermine les composantes du flux du stator dans le repère diphasé de Clarke en fonction des composantes du courant du stator et des composantes du flux du rotor dans le repère diphasé de Clarke, on détermine les composantes de flux du rotor dans le repère diphasé de Clarke en fonction des composantes du courant d'alimentation du rotor dans le repère diphasé de Clarke et des composantes du flux magnétique du rotor dans le repère diphasé de Clarke et d'une correction des non linéarités fonction des composantes du courant, de la tension d'alimentation et du flux du stator dans le repère diphasé de Clarke, et on détermine l'angle électrique comme l'arctangente du rapport entre les deux composantes de flux du rotor exprimées dans le repère diphasé de Clarke. 2. Procédé d'estimation selon la revendication 1, dans lequel on détermine la correction des non linéarités des composantes en fonction de l'écart entre les valeurs observées et les consignes des composantes des courants d'alimentation du stator et du rotor dans le repère diphasé de Clarke, de paramètres de réglage, la résistance du rotor, l'inductance du rotor, l'inductance mutuelle entre le rotor et le stator et le produit de la vitesse de rotation mécanique par le nombre de paires de pôles de la machine.