Brevet FR3012270A1 — publié le 20150424

Procédé et système de commande d'une machine électrique d'un véhicule automobile L'invention a pour domaine technique la commande d'un moteur électrique, et plus particulièrement la commande de la tension d'alimentation du stator d'un tel moteur. Dans le cadre du développement des véhicules électriques, le couple fourni par le moteur électrique doit être contrôlé. Le couple d'une machine étant directement lié aux courants circulant dans celui-ci, il faut donc pouvoir contrôler de façon précise ces courants. Le moteur électrique à contrôler peut notamment être une machine synchrone triphasée à rotor bobiné. Les courants dans les trois phases du stator sont sinusoïdaux et déphasés chacun de 2n/3 rad. Ces courants créent un champ magnétique tournant dans la machine. Le rotor est parcouru par un courant continu ce qui crée un champ magnétique qui le rend équivalent à un aimant. Pour réaliser le couple mécanique, le champ magnétique statorique est piloté en quadrature, c'est-à-dire en déphasage piloté constant de 90° avec le champ rotorique. Ainsi la fréquence de rotation du champ du rotor est égale à la fréquence des courants du stator d'où le nom de «synchrone». Ce sont les amplitudes des courants du stator et la valeur du courant du rotor qui créent le couple nécessaire à la rotation de la machine. Pour commander ces courants, il faudra donc appliquer entre les phases du stator des tensions sinusoïdales, chacune étant également déphasée de 2n/3 rad et appliquer au rotor une tension constante. Par ailleurs, on utilise la transformée de Park pour projeter les courants et les tensions du stator dans un espace où les signaux sinusoïdaux deviennent des constantes. Le repère de Park correspond à un repère lié au champ tournant donc lié au rotor dans le cas de la machine synchrone. L'utilisation de la transformée de Park permet d'avoir à réguler des constantes, ce qui est beaucoup plus facile à réaliser que de réguler des signaux sinusoïdaux. L'enjeu est donc de réguler des courants constants en commandant des tensions constantes. En réalisant la transformée inverse, il est possible de se ramener au repère du stator de la machine et donc de connaître avec précision les tensions à appliquer sur chaque phase de la machine électrique. Pour réaliser le couple demandé, il est donc nécessaire d'élaborer des consignes de courants qui satisfont la production de flux magnétiques réalisant le couple demandé, la minimisation des pertes de la machine et de l'onduleur, le tout étant fonction de la tension batterie disponible. Pour réaliser ces consignes de courant, on utilise un régulateur de courant commandant l'alimentation électrique de la machine électrique. Selon les consignes transmises, le régulateur de courant peut émettre des consignes de tension qui sont saturées. Par saturation, on entend une valeur de la consigne de tension supérieure à la tension maximale réalisable. En effet, pour optimiser les pertes du système, on aura intérêt à maximiser les tensions de manière à minimiser les courants dans la machine. L'optimisation des pertes du système mène donc à générer des tensions proches de la saturation. Il peut arriver que les tensions optimisées soient soumises à une saturation du fait de la dynamique du régulateur, et la dispersion des paramètres de la machine électrique, de l'onduleur et des mesures permettant de commander l'ensemble du système. Ces saturations perturbent le régulateur, et peuvent même le rendre instable. Pour pallier ces problèmes de saturation, la génération des consignes de courants doit disposer de mécanismes empêchant la saturation, et/ou de mécanismes permettant une désaturation. On rappelle que dans l'espace de Park, le système à commander est le suivant : Vd = Rsid ±Ld id ± M f if - corLqIq Vq - RsIq +Lq Iq+ cor (LdId +MfIf ) (Eq. 1) Vf = Rf If ± Lf If ± aMf Id Avec : Vd, Vq et Vf : les tensions appliquées sur les axes direct, en quadrature du plan de Park de la machine et la tension d'excitation du rotor (en Volt) Id, Iq et If : les courants circulant dans la machine sur les trois axes du plan de Park (en Ampère) Rs et Rf les résistances du stator et du rotor de la machine (en Ohm) Ld, Lq et Lf : les inductances sur chaque axe de la machine (en Henry) Mf : l'inductance mutuelle entre le stator et le rotor (en Henry) : un terme constant issu de la transformée de Park (sans unité) cor : la vitesse de rotation du champ magnétique de la machine (en rad/s). Il est à noter que, s'agissant d'une machine synchrone, la vitesse de rotation cor du champ magnétique de la machine est égale à la vitesse de rotation du rotor multiplié par le nombre de paires de pôles de la machine. Les tensions Vd et Vq sont créées avec un onduleur, la tension Vf est créée avec un hacheur, ces deux systèmes étant alimentés par une batterie. Les contraintes à respecter Vvd2 _L q Pour détecter si la saturation des commandes est imminente, on peut calculer l'écart entre les consignes de courant et une valeur de saturation, et on compare l'écart calculé à une valeur de seuil. Dans le cas d'un fonctionnement en mode moteur, la correction peut être une augmentation de l'angle de charge des courants du stator. Dans le cas d'un fonctionnement en mode générateur, la correction peut être une diminution de l'angle de charge des courants du stator. Un autre objet de l'invention est un système de commande d'une machine électrique d'un véhicule automobile comprenant un moyen de détermination de consignes de courant relatives à chacune des phases de la machine électrique dans le repère de Park en fonction de la requête de couple du conducteur, un moyen de régulation des courants dans les phases de machine électrique apte à déterminer des tensions d'alimentation de chacune des phases de la machine électrique en fonction des consignes de courant reçues en entrée. Le système comprend un premier moyen de calcul, apte à détecter que la saturation des commandes de tension déterminées par le moyen de régulation est imminente, et, si tel est le cas, à bloquer puis à n'autoriser ensuite que des évolutions des consignes de courant dans le sens qui conduit à une diminution des commandes de tension. Le système comprend également un deuxième moyen de calcul connecté en aval du moyen de détermination de consignes de courant et en amont du moyen de régulation, apte à modifier les consignes de courant émises par le moyen de détermination afin de prendre en compte la saturation avérée ou imminente en déterminant et émettant des consignes de courant corrigées à destination du moyen de régulation. D'autres buts, caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée uniquement en tant qu'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre les principaux éléments d'un système de commande selon l'invention, et - la figure 2 illustre les principales étapes d'un procédé de commande selon l'invention. Le système de commande 1, illustré par la figure 1, d'une machine électrique 2 comprend un moyen de détermination 3 de consignes de courant relatives à chacune des phases de la machine électrique dans le repère (d,q,f) de Park en fonction de la requête de couple du conducteur Cref. Le système de commande 1 comprend un moyen de régulation 4 des courants dans les phases de machine électrique 2. Le moyen de régulation 4 détermine des tensions Vd,Vq,Vf d'alimentation de chacune des phases de la machine électrique 2 en fonction des consignes de courant reçues en entrée. Le système de commande 1 comprend un premier moyen de calcul 5, coopérant avec le moyen de régulation 4 des courants. Le premier moyen de calcul 5 permet de détecter que la saturation des commandes est imminente. Lorsqu'une telle saturation est détectée, un premier désaturateur est apte à bloquer les consignes de courant de manière à garantir le maintien du contrôle de ces courants. Le blocage n'autorise ensuite que les évolutions des consignes dans le sens qui conduit à une diminution des commandes de tension. Ce dispositif présente une conception simple permettant une action très rapide. Toutefois, en se contentant de bloquer les consignes, il ne permet pas à lui seul de sortir de la saturation et de garantir la stabilité du système sur une échelle de temps suffisante. Pour cela, le système de commande comprend un deuxième moyen de calcul 6 connecté en aval du moyen de détermination 3 de consignes de courant et en amont du moyen de régulation 4. Le deuxième moyen de calcul 6 reçoit également une copie des consignes de tension émises par le moyen de régulation 4 à destination de la machine électrique 2 ainsi qu'une mesure de la tension de batterie Vbat - Le deuxième moyen de calcul 6 permet de modifier les consignes de courant émises par le moyen de détermination 3 afin de prendre en compte la saturation avérée ou imminente en déterminant et émettant des consignes de courant corrigées en ce sens. Le fonctionnement du deuxième moyen de calcul 6 sera plus amplement décrit ci-dessous. Le procédé de commande d'une machine électrique comprend une étape 7 au cours de laquelle on détermine des consignes de courant pour chacune des phases de la machine électrique, dans le repère de Park. A partir de ces consignes de courant, on détermine des consignes de tension de la machine électrique par l'intermédiaire d'une régulation proportionnel-intégral. Toutefois, comme cela a été expliqué plus haut, une saturation des consignes de courant peut se produire. Pour éviter cela, le procédé se poursuit par une étape 8 au cours de laquelle on détecte que la saturation des commandes est imminente. Pour cela, on calcule l'écart entre les consignes de courant et une valeur de saturation. Selon l'écart calculé, on détermine que la saturation est proche. Par exemple, on peut déterminer que la saturation est proche lorsque les consignes sont 10% en dessous de la valeur de saturation. Lorsque l'on détermine que la saturation est proche, le procédé se poursuit à l'étape 9, au cours de laquelle on bloque les consignes de courant de manière à garantir le maintien du contrôle de ces courants. Pour cela, on n'autorise que les évolutions des consignes conduisant à un accroissement de l'écart déterminé. Cette étape de blocage est simple et très rapide, mais en bloquant les consignes, ne permet pas à elle seule de sortir de la saturation et de garantir la stabilité sur une échelle de temps suffisante. Pour cette raison, le procédé de commande comprend une désaturation des commandes du régulateur présentée ci- dessous. Au cours des étapes 10 et 11, on corrige dynamiquement les consignes de courant de manière à résoudre la saturation. En d'autres termes, le blocage des consignes empêche l'entrée en saturation complète de la régulation, tandis que les étapes décrites ci-dessous assurent la sortie complète de la saturation et la reprise du suivi des consignes. Pour sortir de la saturation, il faut assurer le respect de la contrainte suivante : vs Les consignes de courant du stator s'écrivent de la manière suivante dans un repère de coordonnées polaires : fId = Issin(y) Iscos(y) (Eq. 6) Avec I, : l'amplitude des courants de phase, et yr : l'angle de charge de ces courants, également appelé phase. Les étapes de désaturation apportent une correction dynamique de l'angle y de manière à réduire l'amplitude de la tension de commande V. En d'autres termes, on augmente le défluxage de la machine, ce qui implique la diminution du flux global. Dans le cas d'un fonctionnement en mode moteur, la correction consiste en une augmentation de y. Dans le cas d'un fonctionnement en mode générateur, la correction est une diminution de y. Pour assurer cette correction dynamique des consignes, on agit sur l'angle y pour assurer un asservissement du module de la tension V, à une consigne V,* définie par un coefficient de marge par rapport à la valeur de saturation : Vs* =K,T,e *Vbat (Eq. 7) Avec Kmarge : le coefficient de marge. Cet asservissement est asymétrique car son action ne peut que diminuer le flux de la machine, afin de baisser le module de la tension V. Ceci est réalisé en corrigeant l'angle y, tout en gardant une amplitude constante de I,. La correction de y ne peut être réalisée que dans un seul sens, grâce à la normalisation de la commande, et la saturation à 0 de cette commande normalisée. La mise en oeuvre de la correction dynamique des consignes de courant est réalisée au travers des étapes de calcul suivantes : Au cours d'une étape 10, on calcule la valeur saturée de l'erreur de tension c : ( K marg E = sat VVd2+ V2 e * vbat (Eq. 8) La saturation est appliquée de sorte qu'une valeur négative du terme VVd2 +\T, e*Vba, soit remplacée par une valeur nulle. V3 Au cours de la même étape, on calcule ensuite la commande normalisée du deuxième moyen de calcul 6 en fonction de la valeur saturée de l'erreur de tension déterminée précédemment. Pour cela, on choisit une régulation de type Proportionnel-Intégral, dont la commande est déterminée par l'équation suivante : u-Kp* ( *c (Eq. 9) 1 1+ TI. Avec Kp et Ti les paramètres de réglage du régulateur de désaturation, : la valeur saturée de l'erreur de tension, u : la commande, s : variable de Laplace. Au cours d'une étape 11, on détermine ensuite les consignes de courant Is,v, en coordonnées polaires en fonction des consignes de courant Id,Iq en coordonnées de Park, par application des équations suivantes : IS = Vid2 + 1q2 arctan (Eq.10) Au cours de la même étape, on détermine ensuite un angle de phase corrigé tV en appliquant l'équation suivante : ( max 0, V-2 ( (Eq. 11) 71 71 -K.0 *sign y-- 2 +- i i 2 Avec : K : gain de conversion de la commande normalisée. On remarquera que le gain K est un paramètre de réglage de la désaturation. Ce calcul assure que la correction de yr est toujours réalisée dans le sens du défluxage. Dans l'espace en coordonnées polaires, cela implique de rapprocher le vecteur de courant I, de l'axe d. Enfin, on détermine ensuite des consignes de courant corrigées "q en fonction de l'angle de phase corrigé tV en appliquant les équations suivantes : {id = is sin (yÎ) (Eq. 12) 7q cos(yr) On transmet ensuite ces consignes de courant corrigées au moyen de régulation 4 qui détermine les tensions d'alimentation correspondantes des phases de la machine électrique. Alternativement, il est possible de diminuer le flux en agissant également par une correction de la consigne de courant d'excitation rotor If ou bien par correction de la consigne de courant Id plutôt que l'angle y. La mise en oeuvre dans les deux cas est similaire. Cependant, ce mode de réalisation alternatif génère l'apparition d'autres difficultés. La régulation de l'amplitude de V, par la consigne If est difficile à mettre au point et peut déstabiliser le système en raison de la dynamique lente de la régulation de If comparativement à celle de Id et Ig. La régulation de l'amplitude de V, par la consigne Id pose le problème de la variation de l'amplitude des courants statoriques IS qu'il faut maîtriser en cohérence avec le courant d'excitation If. Ainsi, la correction de l'angle y de phase des courants statoriques est la seule qui assure l'efficacité de la désaturation des commandes avec la dynamique de régulation des courants du stator, et qui ne modifie pas la cohérence du rapport entre I, et If. Le procédé et le système de commande peuvent être appliqués à toutes machines électriques synchrones, y compris les machines électriques synchrones à aimant. REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'une machine électrique d'un véhicule automobile, comprenant une étape au cours de laquelle on détermine des consignes de courant pour chacune des phases de la machine électrique, dans le repère de Park en fonction d'une requête de couple du conducteur, puis on détermine des consignes de tension de la machine électrique à partir de ces consignes de courant, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes : on détecte si la saturation des consignes de tension est imminente, si tel est le cas, on n'autorise que les évolutions des consignes de courant conduisant à un accroissement de l'écart entre les consignes de courant et une valeur de saturation, puis on corrige dynamiquement les consignes de courant de manière à résoudre la saturation en corrigeant dynamiquement l'angle de charge des courants du stator de manière à réduire l'amplitude de la tension de commande, puis on détermine de nouvelles tensions d'alimentation des phases de la machine électrique en fonction des consignes de courant corrigées. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, pour détecter si la saturation des commandes est imminente, on calcule l'écart entre les consignes de courant et une valeur de saturation, et on compare l'écart calculé à une valeur de seuil. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, dans le cas d'un fonctionnement en mode moteur, la correction consiste en une augmentation de l'angle de charge des courants du stator. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel, dans le cas d'un fonctionnement en mode générateur, la correction est une diminution de l'angle de charge des courants du stator. 5. Système de commande d'une machine électrique d'un véhicule automobile comprenant un moyen de détermination (3) de consignes de courant relatives à chacune des phases de la machine électrique dans le repère de Park en fonction de la requête de couple du conducteur, un moyen de régulation (4) des courants dans les phases de machine électrique (2) apte à déterminer des tensions d'alimentation de chacune des phases de la machine électrique en fonction des consignes de courant reçues en entrée, caractérisé par le fait qu'il comprend un premier moyen de calcul (5), apte à détecter que la saturation des commandes de tension déterminées par le moyen de régulation (4) est imminente, et, si tel est le cas, à bloquer puis à n'autoriser ensuite que des évolutions des consignes de courant dans le sens qui conduit à une diminution des commandes de tension, un deuxième moyen de calcul (6) connecté en aval du moyen de détermination (3) de consignes de courant et en amont du moyen de régulation (4), apte à modifier les consignes de courant émises par le moyen de détermination (3) afin de prendre en compte la saturation avérée ou imminente en déterminant et émettant des consignes de courant corrigées à destination du moyen de régulation (4).