Brevet FR3021821A1 — publié le 20151204

Commande du couple électromagnétique d'une machine à réluctance commutée variable L'invention concerne la commande du couple généré par une machine à réluctance commutée variable dans un véhicule à traction électrique muni d'une telle machine. Une machine à réluctance est un type de moteur électrique qui met en oeuvre des pôles magnétiques non permanents sur le rotor ferromagnétique. Le couple est généré par le phénomène de réluctance magnétique. La réluctance est analogue à la résistance électrique d'un circuit, mais quantifie l'énergie magnétique stockée. Plus précisément, la réluctance permet de quantifier l'aptitude d'un circuit magnétique à s'opposer à sa pénétration par un champ magnétique. Elle correspond au rapport entre la force magnétomotrice appliquée à un circuit magnétique et le flux d'induction produit. Les machines à réluctance commutée présentent l'avantage majeur de pouvoir délivrer de fortes densités de puissance à un faible coût énergétique, et ce au meilleur niveau. Cette performance fait de ces machines à réluctance une solution avantageuse pour les chaînes de traction de véhicules électriques et représente une alternative économiquement intéressante aux technologies usuelles pour la traction électrique, notamment du fait qu'elles ne contiennent aucune partie active sur le rotor. Une machine à réluctance variable commutée se compose d'un stator comportant un bobinage concentrique qui génère un champ magnétique et d'un rotor qui est constitué d'une pièce massive ou d'un empilement de tôles ferromagnétiques. Le rotor ne comporte ni conducteur électrique ni aimant ce qui lui confère une grande robustesse. Une autre particularité de ce type de machine provient du fait que le rotor n'est pas à champ tournant, mais à champ pulsé. Le principe de fonctionnement est le suivant : le courant passe par un enroulement statorique et le couple est généré par l'attraction 3021821 2 électromagnétique entre le rotor et le pôle statorique excité, le rotor tendant à s'aligner avec le pôle statorique excité. La direction du couple produit dépend de la position du rotor relativement à la phase excitée et il est indépendant de la direction du courant. 5 Dans un véhicule automobile à traction électrique, le couple fourni par un moteur électrique doit être contrôlé. Un couple continu peut être produit si on synchronise correctement l'excitation de chaque phase avec la position du rotor. Pour cela, chaque phase est reliée à un hacheur qui est lui- 10 même relié à une batterie de véhicule électrique dont la tension est de l'ordre de 400 V. Le hacheur permet d'appliquer des tensions comprises entre une tension maximale notée Vbat et une tension minimale notée -Vbat. Le couple d'une machine électrique étant directement lié aux 15 courants circulant dans celle-ci, ces courants doivent être commandés de façon précise. Les hacheurs commandant le courant dans la machine, ils doivent donc être commandés précisément pour contrôler le courant dans les phases de la machine. Il est connu différentes commandes associées de machine à 20 réluctance variable commutée. Ces commandes sont très souvent adaptées à une vitesse d'utilisation fixe ou à une plage de fonctionnement donnée, c'est-à-dire à une zone de vitesse pour la machine, la plage étant relativement limitée et ne couvrant pas une vitesse allant de zéro à une haute vitesse pour un véhicule automobile. 25 Il est connu notamment une commande de machine à réluctance commutée variable à haute vitesse dans le brevet US 8 441 223, et une commande de ces machines à faible vitesse dans le brevet US8624543. Dans le secteur automobile, pour optimiser l'équation économique de la machine, il faut utiliser la machine sur une très large 30 plage de vitesses, s'étendant d'une vitesse nulle jusqu'à de très hauts régimes. On peut définir un très haut régime par le fait que la fréquence électrique de la machine s'approche de la fréquence de fonctionnement du hacheur ou bien lorsque la force contre- 3021821 3 électromotrice devient supérieure à la tension d'alimentation Vbat. Dans ces deux cas, le courant n'est plus parfaitement contrôlable. En utilisant une commande à basse vitesse sur un véhicule automobile doté d'une machine à réluctance commutée variable, on 5 observe deux problèmes principaux lorsque les hautes vitesses sont atteintes. Ces deux principaux problèmes liés à la haute vitesse sont dus à la fréquence de fonctionnement de la modulation de largeur d'impulsions (PWM) se rapprochant de la fréquence électrique, et la force électromotrice (FCEM) qui devient trop grande, le courant 10 chutant même avec l'application de 400V sur une phase. Il est connu du document US 2013/0134912 une commande de changement de mode entre deux régulateurs pour les machines à réluctance variable. Cependant, dans ce document, le système de commande 15 recherche la vitesse optimale à laquelle la commutation entre les deux régulateurs doit être effectuée, et non une façon douce de réaliser la transition. Si bien qu'il y a forcément des à-coups lors de la transition. Cela découle du fait que pour les applications « classiques » de ces machines, avoir des à-coups ou faire une transition « brutale » de 20 régulateurs n'a pas d'effet sur un utilisateur. L'invention vise à fournir une commande qui opère sur l'ensemble de la plage de fonctionnement de la machine sans transition brutale entre deux régulations distinctes. Une transition brutale entre deux types de commande peut générer des perturbations et donc des à- 25 coups qui seraient ressentis par le conducteur d'un véhicule doté de ce type de moteur comme de mauvaises sensations de conduite. Selon un aspect de l'invention, il est proposé dans un mode de mise en oeuvre, un procédé de commande du couple électromagnétique d'une machine à réluctance commutée variable, comprenant la mesure 30 du courant délivré sur les trois phases de la machine, une estimation des flux sur chaque phase à partir du courant mesuré dans chaque phase et de la position du rotor, une estimation des flux atteignables sur chaque phase , une déduction des couples atteignables sur chaque phase en fonction des flux atteignables précédemment estimés, une 3021821 4 détermination de consignes de couple dans les phases pour réaliser une consigne de couple globale, une détermination des consignes de flux pour chaque phase correspondant aux consignes de couple déterminées précédemment, un calcul des tensions à appliquer sur chaque phase, et 5 une application des tensions souhaitées sur chaque phase. Selon une caractéristique générale de l'invention, le calcul des tensions à appliquer comprend l'addition d'une tension constante dépendant de la vitesse et du couple demandés. La procédé permet ainsi de réaliser une régulation du couple 10 électromagnétique en effectuant une transition entre le régime à basse vitesse et le régime à haute vitesse sur une plage de vitesse et non pas à un seuil de vitesse donné. Ceci permet d'éviter une bascule brutale. La tension constante est ajoutée pendant la phase active et soustraite pendant la phase d'extinction. Ces phases sont définies en 15 fonction du couple et de la vitesse de la machine et sont connues de l'homme du métier. L'ajout ou la soustraction d'une tension constante à l'aide d'une action en feed-forward par exemple dans un régulateur, permet de prémagnétiser les phases. On obtient alors deux montées 20 successives du courant, la première étant due au feed-forward et la seconde étant liée à la régulation. Le fonctionnement est bien reproductible sur plusieurs périodes électriques grâce à la boucle fermée. A contrario, la commande pleine onde à cette vitesse est 25 sensible à la synchronisation entre la fréquence de la modulation de largeur d'impulsions (PWM) et la fréquence électrique. Au fur et à mesure que la vitesse augmente, le signal de commande se transforme en commande pleine onde, l'action feed-forward augmente. Autour de 6000 tours/minute, on profite encore de la possibilité d'appliquer des 30 tensions intermédiaires mais à partir de 10000 rpm, on applique uniquement la tension maximale. Avantageusement, l'estimation du flux atteignable sur une phase peut être réalisée à partir de l'équation V= RI + -d( 1) en dt 3021821 5 considérant les tensions minimale et maximale applicables, et avec R la résistance interne de l'inductance statorique, I le courant circulant dans la phase, etc d la dérivée du flux circulant dans la phase. On t utilise cette même équation sur chaque phase. 5 Les couples atteignables sont préférentiellement déduits à l'aide de cartographies du couple atteignable en fonction du flux atteignable et de la position future du rotor, la position future du rotor étant estimée à partir de la vitesse du rotor et de sa position actuelle. Selon un autre aspect, il est proposé dans un mode de 10 réalisation un système de commande du couple électromagnétique d'une machine à réluctance commutée variable, comprenant des moyens de mesure du courant délivré sur les trois phases de la machine, des premiers moyens d'estimation des flux dans chaque phase à partir du courant mesuré dans chaque phase et de la position 15 du rotor, des seconds moyens d'estimation des flux atteignables, des moyens de déduction des couples atteignables, des moyens de répartition des couples dans les phases pour réaliser une consigne de couple globale, des moyens de détermination des consignes de flux pour chaque phase, des moyens de régulation aptes à déterminer les 20 tensions à appliquer sur chaque phase, et des moyens de commande de l'application des tensions souhaitées sur chaque phase. Selon une caractéristique générale, les moyens de régulation comprennent un module de transition apte à déterminer une valeur de tension constante dépendant de la vitesse et du couple demandés et un 25 additionneur apte à ajouter la valeur de tension constante déterminée par le module de transition à une valeur de tension déterminée à partir des consignes de flux et du flux estimés pour chaque phase. Le système comprend ainsi un unique régulateur apte à opérer une transition entre le régime à basse vitesse et le régime à haute 30 vitesse en appliquant l'addition d'une tension constante dépendant de la vitesse et du couple demandés à la tension déterminée à partir des consignes de flux et du flux estimés pour chaque phase par la boucle de régulation. 3021821 6 dt en considérant les tensions minimum et maximale applicables, et avec R la résistance interne de l'inductance statorique, I le courant 5 circulant dans une phase, et -d( 1) la dérivée du flux circulant dans cette dt même phase. Avantageusement, les moyens de déduction peuvent comprendre des cartographies du couple atteignable en fonction du flux atteignable et de la position future du rotor, la position future du 10 rotor étant estimée à partir de la vitesse et de la position actuelle du rotor. Selon un autre aspect, il est proposé un système informatique comprenant des moyens configurés pour mettre en oeuvre le procédé tel que défini ci-dessus. 15 Selon un autre aspect, il est proposé un véhicule automobile comprenant un système informatique tel que défini ci-dessus. Selon encore un autre aspect, il est proposé un produit programme d'ordinateur chargeable directement dans une mémoire d'un système informatique, comprenant des portions de code logiciel 20 pour l'exécution du procédé tel que défini ci-dessus lorsque ledit programme est exécuté par ledit système informatique. Selon encore un autre aspect, il est proposé un support lisible par un système informatique ayant des instructions exécutables par ordinateur adaptées pour provoquer l'exécution par le système 25 informatique du procédé tel que défini ci-dessus. D' autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre et d'un mode de réalisation de l'invention, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels : 30 la figure 1 présente un organigramme d'un procédé de commande du couple électromagnétique d'une machine à réluctance commutée variable selon un mode de mise en oeuvre de l'invention ; De préférence, les seconds moyens d' estimation sont configurés pour réaliser l'estimation à partir de l'équation V = RI + d(1) 3021821 7 la figure 2 illustre un système de commande apte à mettre en oeuvre le procédé présenté sur la figure 1, selon un mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1 est présenté de manière schématique un 5 organigramme d'un procédé de commande du couple électromagnétique d'une machine à réluctance commutée variable. Dans une étape initiale 100, le procédé comprend une mesure du courant délivré sur les trois phases de la machine. Le courant peut être mesuré à l'aide d'un capteur disposé sur chacune des phases de la 10 machine. Dans une étape suivante 110, est réalisée une estimation des flux dans chaque phase à partir du courant mesuré dans chaque phase et de la position actuelle du rotor. Cette estimation peut être faite à l'aide d'une cartographie donnant le flux à partir du courant et de la 15 position du rotor. Dans une étape suivante 120, on réalise une estimation des flux atteignables au pas de calcul suivant sur chaque phase, c'est-à-dire des flux qui peuvent être atteints lors du pas de calcul suivant. Le flux atteignable sur une phase est estimé à partir de l'équation : 20 V = + d(1) (1) dt avec R la résistance interne de l'inductance statorique, I le (1) courant circulant dans la phase, et o/ la dérivée du flux circulant dt dans la phase, et en considérant les tensions minimale et maximale applicable -Vbat et +Vbat. 25 Dans une étape suivante 130, on déduit les couples atteignables sur chaque phase au prochain pas de calcul à partir de cartographies du couple en fonction du flux atteignable estimé précédemment sur chaque phase et de la position du rotor. On doit donc connaître la position future du rotor correspondant au prochain pas de calcul. 30 Celle-ci est estimée à partir de la vitesse et de la position actuelle. On peut donc connaître les couples réalisables par chaque phase au prochain pas de calcul. 3021821 8 Dans une étape suivante 140, on répartit les couples dans chacune des phases de manière à ce que le couple global, correspondant à la somme des couples de chaque phase, réalise une consigne de couple Creq représentative de la volonté du conducteur, 5 puis, dans une étape 150, on détermine les consignes de flux pour chaque phase en utilisant les cartographies inverse de l'étape 130, c'est-à-dire donnant le flux à obtenir sur une phase à partir du couple déterminé lors de cette étape 140 sur la phase et de la position future du rotor sur cette même phase. 10 Dans une étape suivante 160 du procédé, on calcule les tensions à appliquer sur chacune des phases de manière à réaliser la consigne de flux correspondante déterminée à l'étape 150, en se basant sur l'équation (1) pour cela, avant de commander dans une étape 170 l'application desdites tensions calculées sur les phases. 15 Le calcul des tensions comprend la détermination d'une valeur de tension de régulation à partir des consignes de flux déterminées à l'étape 150 et des flux estimés pour chaque phase à l'étape 110. Le calcul des tensions comprend en outre la détermination d'une constante positive ou négative de transition dépendant de la 20 vitesse et du couple demandé et l'addition de cette constante à la valeur de tension de régulation. Cette constante est donc une consigne de régulation supplémentaire. Le signe de la constante est défini sur chaque phase et varie si celle-ci est en phase active ou en phase d'extinction. Lorsqu'une phase est active, c'est-à-dire qu'on veut lui 25 faire fournir du couple, la constante est positive et est ajoutée à la tension, et lorsque la phase est en phase d'extinction, c'est-à-dire que l'on désire annuler le courant dans cette phase, la constante est négative et est donc soustraite à la tension. On notera que le procédé qui vient d'être décrit peut être 30 intégré à un calculateur de bord d'un véhicule automobile à traction électrique dument programmé pour mettre en oeuvre les étapes ci-dessus. Ce procédé peut également être mémorisé sur tout support approprié pour être exécuté par un ordinateur ou calculateur, notamment embarqué. 3021821 9 Sur la figure 2 est illustré de manière schématique un système de commande du couple électromagnétique d'une machine à réluctance commutée variable 1. Le système de commande comprend des moyens de mesures 2 5 du courant Ii à 13 sur chacune des phases i, i variant de 1 à 3, de la machine 1. Les moyens de mesures 2 délivrent en sortie le courant mesuré à des premiers moyens d'estimation 3 des flux Oi dans chacune des trois phases i. Le système comprend en outre des moyens 4 d'estimation du 10 flux atteignables dans chacune des phases i couplés en entrée aux premiers moyens d'estimation 3 et en sortie aux moyens de déduction 5 des couples atteignables. Les moyens de déduction 5 comprennent des cartographies du couple en fonction du flux atteignable et de la position future du rotor, la position future du rotor étant estimée à 15 partir de la vitesse et de la position actuelle. Les moyens de déduction 5 délivrent en sortie pour chaque phase i, une valeur de couple minimale Cimin et une valeur de couple maximale Cimax à des moyens de répartition 6 des couples dans chaque phase i. Les moyens de répartition reçoivent en outre en entrée une 20 valeur de consigne de couple globale Creq correspondant à la volonté de couple du conducteur. Les moyens de répartition 6 permettent de répartir les couples de consigne Cireq dans chaque phase de manière à ce que leur somme sur toutes les phases réalise le couple de consigne Creq représentatif de 25 la volonté du conducteur. Les moyens de répartition 6 des couples sont couplés en sortie à des moyens de détermination 7 des consignes de flux qui reçoivent ainsi en entrée pour chaque phase i une consigne de couple réparti Cir eq- 30 Les moyens de détermination 7 sont couplés en sortie à un module de tension de régulation 8 qui reçoit également en entrée le flux estimé 0, pour chaque phase i délivré par les moyens d'estimation 3. Le module de tension de régulation 8 délivre en sortie une valeur de 3021821 10 tension à appliquer pour chaque phase i de la machine 1 dépendant du flux estimé Oi et de la consigne de flux réparti Oireq. Le système comprend en outre un additionneur 10 recevant en entrée la valeur de tension à appliquer pour chaque phase i issue du 5 module de tension de régulation 8 ainsi que la consigne de régulation supplémentaire délivrée par des moyens de transition de régime 9. Les moyens de transition de régime 9 reçoivent en entrée une mesure de la vitesse de la machine V machine et le couple de consigne Creq et délivrent en sortie la consigne de régulation supplémentaire, 10 qui est une tension additionnelle. Concrètement, lorsque la vitesse est faible, c'est-à-dire si la force du couple électromagnétique (fcem) est petite devant la tension aux bornes de la batterie, Vbat, la tension additionnelle est nulle. Par exemple, dans un mode de réalisation la fcem est inférieure 15 à 200 V pour une vitesse inférieure à 4000 rpm. Entre 4000 et 8000 rpm, la fcem peut atteindre de l'ordre de 400V, dans ce cas la tension additionnelle augmente avec la vitesse pour atteindre de l'ordre de 400 V à 8000 rpm de manière à agir en parallèle du régulateur principal. Au-delà de 8000 rpm, la fcem devient trop 20 importante, c'est-à-dire supérieure à Vbat. On applique alors une tension additionnelle de l'ordre de 800 V de manière à surpasser la tension issue du module de tension de régulation 8. Pour ces vitesses, ce sont uniquement les moyens de transition de régime 9 qui finissent par définir les tensions Vi à appliquer sur chaque phase. La valeur de 25 800 V correspond en fait au double de la tension aux bornes de la batterie, soit 2Vbat, de manière à forcer l'application de Vbat. En effet, même si le module de tension de régulation 8 demande -Vbat, l'addition des du signal issu du module 8 et des moyens 9 donnera Vbat. Au final, la tension appliquée est toujours saturée par Vbat car il 30 est physiquement impossible d'appliquer plus. Ainsi à basse vitesse, c'est le module de tension de régulation 8 qui génère la commande. Dans une plage intermédiaire, le module de tension de régulation 8 et les moyens de transition de régime 9 agissent en parallèle. A haute vitesse, ce sont les moyens de transition 3021821 11 de régime 9 qui définissent la tension car la tension issue du module de tension de régulation 8 est négligeable devant celle issue des moyens de transition de régime 9. L'additionneur 10 délivre alors en sortie une valeur de tension 5 V, à appliquer pour chaque phase i résultant des valeurs de tension issues du module de tension de régulation 8 et des moyens de transition de régime 9. Cette valeur est délivrée par l'additionneur 10 à des moyens de commande 11 de la machine à réluctance commutée 1. Les moyens de commande 11 délivrent à la machine 1 la tension 10 électrique Vi à y3 à appliquer à chaque phase i. Le module de tension de régulation 8, les moyens de transition de régime 9 et l'additionneur 10 forment des moyens de régulation 12. L'invention fournit ainsi une commande qui opère sur l'ensemble de la plage de fonctionnement de la machine sans transition 15 brutale entre deux régulations distinctes. REVENDICATIONS1. Procédé de commande du couple électromagnétique d'une machine à réluctance commutée variable, comprenant : la mesure (100) du courant (Ii, 12, 13) délivré sur les trois phases (i) de la machine (1), une estimation (110) des flux (0 ) dans chaque phase (i) à partir du courant mesuré (Ii, 12, 13) dans chaque phase (i) et de la position du rotor, une estimation (120) des flux atteignables sur chaque phase, une déduction (130) des couples atteignables sur chaque phase en fonction des flux atteignables précédemment estimés, une détermination (140) de consignes de couple dans les phases (i) pour réaliser une consigne de couple globale, une détermination (150) de consignes de flux pour chaque phase (i) correspondant aux consignes de couple déterminées précédemment, un calcul (160) des tensions (V,) à appliquer sur chaque phase (i), et une application (170) des tensions souhaitées sur chaque phase (i), caractérisé en ce que le calcul (160) des tensions (Vi) appliquer comprend l'addition d'une tension dépendant de la vitesse et du couple demandés. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'estimation (120) du flux atteignable sur chaque phase est réalisée à partir de l'équation V = RI + d( 1) en considérant les tensions minimale et dt maximale applicables, et avec R la résistance interne de l'inductance statorique, I le courant circulant dans la phase, etc d la dérivé du flux t circulant dans la phase. 3021821 13 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les couples atteignables sont déduits à l'aide de cartographies du couple atteignable en fonction du flux atteignable et de la position future du rotor, la position future du rotor étant estimée à partir de la vitesse du 5 rotor et de sa position actuelle. 4. Système de commande du couple électromagnétique d'une machine (1) à réluctance commutée variable, comprenant : des moyens de mesure (2) du courant (Ii, 12, 13) délivré sur les trois phases (i) de la machine (1), 10 des premiers moyens d'estimation (3) des flux (4h) dans chaque phase (i) à partir du courant mesuré (Ii, 12, 13) dans chaque phase (i) et de la position du rotor, des seconds moyens d'estimation (4) des flux atteignables, des moyens de déduction (5) des couples atteignables, 15 des moyens de répartition (6) des couples dans les phases (i) pour réaliser une consigne de couple globale, des moyens de détermination (7) des consignes de flux pour chaque phase (i), des moyens de régulation (12) aptes à déterminer les 20 tensions (V,) à appliquer sur chaque phase (i), et des moyens de commande (11) de l'application des tensions souhaitées sur chaque phase (i), caractérisé en ce que les moyens de régulation (12) comprennent un module de transition (9) apte à déterminer une valeur 25 de tension additionnelle dépendant de la vitesse et du couple demandés et un additionneur (10) apte à ajouter la valeur de tension additionnelle déterminée par le module de transition (9) à une valeur de tension déterminée à partir des consignes de flux et du flux estimés pour chaque phase (i). 30 5. Système de commande selon la revendication 4, dans lequel les seconds moyens d'estimation (4) sont configurés pour réaliser l'estimation à partir de l'équation V = RI + -d( 1) en considérant les dt tensions minimale et maximale applicables, et avec R la résistance 3021821 14 interne de l'inductance statorique, I le courant circulant dans la phase, et -d( 1) la dérivée du flux circulant dans la phase. dt 6. Système de commande selon la revendication 4 ou 5, dans lequel les moyens de déduction (5) comprennent des cartographies du 5 couple atteignable en fonction du flux atteignable et de la position future du rotor, la position future du rotor étant estimée à partir de la vitesse du rotor et de sa position actuelle. 7. Système informatique comprenant des moyens configurés pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 3. 10 8. Véhicule automobile comprenant un système informatique selon la revendication 7. 9. Produit programme d'ordinateur chargeable directement dans une mémoire d'un système informatique, comprenant des portions de code logiciel pour l'exécution du procédé selon l'une des 15 revendications 1 à 3 lorsque ledit programme est exécuté par le système informatique. 10. Support lisible par un support informatique ayant des instructions exécutables par ordinateur adaptées pour provoquer l'exécution par le système informatique du procédé selon l'une des 20 revendications 1 à 3.