Brevet FR3025672A1 — publié le 20160311

Système et procédé de commande d'une machine électrique asynchrone 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. La machine asynchrone à cage dont le rotor ne tourne pas à la vitesse du champ tournant et dont la seule entrée électrique est au stator pose des problèmes difficiles pour sa commande. Pour contrôler le couple, la vitesse (ou la position de la machine), il a été proposé des techniques différentes. Il a notamment été proposé des méthodes scalaires, mais ces méthodes ont pour inconvénient de ne pas pouvoir garantir le couple à l'arrêt ou d'être suffisamment dynamiques et précises. Il a également été proposé des méthodes vectorielles, plus dynamiques et précises que les méthodes scalaires. L'utilisation de microcontrôleurs et de dispositifs de traitement de signal (« DSP : Digital Signal Processor » en langue anglaise) a permis l'implémentation des méthodes vectorielles. Cette méthode présente néanmoins certains problèmes, notamment lorsque l'on cherche à obtenir des performances élevées. 3025672 2 De l'état de la technique, on connait les documents suivants. Le document FR 2800935 décrit une stratégie de commande robuste avec orientation du flux rotorique pour une machine asynchrone. La robustesse de cette stratégie réside dans la prise en 5 compte de la chute de la tension statorique. Le document FR 2779017 décrit une méthode de contrôle avec l'orientation du flux rotorique pour un moteur asynchrone. L'originalité de cette technique réside dans la manière dont le flux rotorique est reconstitué et dans la comparaison de ce flux reconstitué 10 avec une cartographie de flux en régime nominal afin d'obtenir une action rapide sur la machine électrique. Une telle approche est différente de celle de la présente invention. Le document EP 0884835 décrit un procédé de régulation de la vitesse dans lequel le flux rotorique est également orienté pour une 15 machine asynchrone. En se basant sur les caractéristiques de la machine, on calcule d'abord les forces électromotrices puis la fréquence statorique cos. Cette méthode possède un inconvénient majeur, car elle est tributaire des paramètres physiques de la machine. Il est bien connu que ces derniers sont susceptibles d'évoluer. 20 Le document EP0840441 divulgue des stratégies de commande avec orientation du flux rotorique classiques pour les machines asynchrones. Leur objectif n'est pas la commande en elle-même mais plutôt la gestion de la saturation de ces commandes. De ce fait, le procédé de commande se déclenche quand les commandes Ud et Uq 25 atteignent des seuils prédéfinis. Le document EP0883511 décrit des consignes de commande générées dans le repère de référence sinusoïdal triphasé (a,b,c). Le bloc des consignes contient la fréquence de rotor et l'amplitude des courants en fonction de la valeur de la consigne du couple souhaitée. 30 C'est en imposant une fréquence de rotor, également appelée fréquence de glissement, que la fréquence des consignes de courants est imposée. Les documents EP0617505, EP0461511 et EP0047893 divulguent des stratégies de commande à flux orienté pour des machines asynchrones, différentes de l'objet de la présente invention. 3025672 3 Il demeure un problème technique lié à la simplicité d'implantation et à la robustesse vis-à-vis des variations de paramètres d'un procédé de commande d'une machine asynchrone. L'invention a pour objet un procédé de commande d'une 5 machine électrique asynchrone d'un groupe motopropulseur d'un véhicule automobile à traction électrique ou hybride. Le procédé comprend les étapes suivantes : - on détermine une requête de couple du conducteur, - on détermine un point de fonctionnement comprenant une 10 requête de pulsation du rotor et une requête de flux du rotor en fonction de la requête de couple du conducteur, - on détermine la vitesse de rotation mécanique, et les valeurs instantanées des courants d'alimentation du stator dans le repère triphasé, 15 - on calcule des valeurs de courant du stator dans le repère de Park, - on détermine l'angle de Park, le flux rotorique et la pulsation statorique, - on détermine des valeurs de tensions du stator dans le repère 20 de Park en fonction de la valeur calculée du flux rotorique et de la valeur calculée de la pulsation statorique, des courants de stator dans le repère de Park, de la requête de pulsation du rotor et de la requête de flux du rotor, et - on calcule des valeurs de tensions du stator dans le repère 25 triphasé. On peut commander la machine électrique par orientation du flux rotorique en annulant la composante quadratique du flux dans le repère de Park. On peut commander la machine électrique par commande 30 vectorielle directe en calculant l'angle de Park directement à partir des grandeurs mesurées ou estimées. On peut déterminer l'angle de Park par l'intermédiaire d'un observateur. 3025672 4 L'invention a également pour objet un système de commande d'une machine électrique asynchrone d'un groupe motopropulseur d'un véhicule automobile à traction électrique ou hybride. Le système comprend : 5 - un moyen de détermination de la volonté du conducteur apte à déterminer une requête de couple du conducteur, - un moyen de détermination de points de fonctionnement apte à déterminer un point de fonctionnement comprenant une requête de pulsation du rotor et une requête de flux du rotor en fonction de la 10 requête de couple du conducteur, - un moyen de calcul apte à déterminer la vitesse de rotation mécanique, et les valeurs instantanées des courants d'alimentation du stator dans le repère triphasé, -des moyens de calcul des valeurs de courant du stator dans le 15 repère de Park, - un moyen de calcul de l'angle de Park, du flux rotorique et de la pulsation statorique, - un moyen de calcul des valeurs de tensions du stator dans le repère de Park en fonction de la valeur calculée du flux rotorique et de 20 la valeur calculée de la pulsation statorique, des courants de stator dans le repère de Park, de la requête de pulsation du rotor et de la requête de flux du rotor, et -des moyens de calcul des valeurs de tensions du stator dans le repère triphasé. 25 Le moyen de calcul peut être apte à calculer l'angle de Park directement à partir des grandeurs mesurées ou estimées. Le moyen de calcul peut être apte à appliquer un observateur aux valeurs instantanées des courants de stator dans le repère diphasé, aux valeurs instantanées des tensions de stator dans le repère diphasé , 30 et à la vitesse de rotation mécanique afin de déterminer l'angle de Park, une valeur calculée du flux rotorique et une valeur calculée de la pulsation statorique. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement 3025672 5 à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre les repères des grandeurs triphasées et des grandeurs diphasées, 5 - la figure 2 illustre les angles remarquables, un repère fixe par rapport au stator, un repère fixe par rapport au rotor et le repère de Park, - la figure 3 illustre les principaux éléments d'un système de commande selon l'invention, et 10 - la figure 4 illustre les principales étapes du procédé de commande selon l'invention. Pour la suite de la description on utilisera de préférence la transformation de Clarke plutôt que celle de Concordia pour passer des grandeurs triphasées (a,b,c) aux grandeurs diphasées (a,(3). La figure 1 15 illustre ces deux repères. Ce choix de matrice de passage non normée permet de faciliter la commande en traitant des grandeurs directes d ou en quadrature q, par exemple les courants de source Id, et Ici,. Cela permet également, par exemple, d'estimer directement le module du courant qui est absorbé par la machine électrique, sans avoir à passer 20 par un coefficient multiplicateur. Les équations suivantes décrivent le passage entre le repère des grandeurs triphasées (a,b,c) et le repère diphasé (cc,(3). (Eq . 1) 25 (Eq. 2) Les équations suivantes décrivent le passage entre le repère diphasé (cc,(3) et le repère de Park (d,q). 3025672 6 (Eq. 3) (Eq. 4) 5 Dans ce qui suit, le repère (as, (3s) est fixe et lié au stator, le repère (ar, (3r), quant à lui, est fixé au rotor. Enfin, le repère (d, q) est lié au champ magnétique tournant. Il apparaît clairement ensuite que le repère de la transformation de Park des grandeurs statoriques et celles des grandeurs rotoriques 10 doivent coïncider pour simplifier les équations. Ceci se fait en liant les angles Os et Or par la relation : Os = 0 ± Or (Eq. 5) avec : 15 Os : l'angle que forme le champ tournant par rapport au repère (as, (3s) fixe par rapport au stator, 0 : l'angle mécanique, et Or : l'angle que forme le champ tournant par rapport au repère (OEr, (3r) fixe par rapport au rotor. 20 Ces angles sont illustrés par la figure 2 Les flux dans ce système d'axes s'écrivent de la façon suivante : (Eq. 6) 25 Avec (Pds : la composante directe d du flux statorique, yqs : la composante en quadrature q du flux statorique, (Pdr : la composante directe d du flux rotorique, (Pqr : la composante en quadrature q du flux rotorique, 30 Ls : l'inductance du stator, 3025672 7 Lr : l'inductance du rotor, M : l'inductance mutuelle, Id, : la composante directe d du courant statorique, Iqs : la composante en quadrature q du courant statorique, 5 Id, : la composante directe d du courant rotorique, et Iqr : la composante en quadrature q du courant rotorique. Le couple électromagnétique Ce est déterminé par application de l'équation suivante : 10 (Eq. 7) avec p= nombre de paires de pôles La commande de la machine électrique peut être décrite dans 15 un référentiel lié au champ tournant. Dans ce cas, la pulsation statorique co, est définie par l'équation suivante : cos = (Eq. 8) La pulsation rotorique cor est définie par l'équation suivante : = (Eq. 9) 20 La pulsation mécanique w est définie par l'équation suivante : cc> = cos. - = = (Eq. 10) Avec n : la vitesse de rotation mécanique. On peut alors écrire : 25 (Eq. 11) Avec : Vds : la composante directe d de la tension appliquée au stator, Vqs : la composante en quadrature q de la tension appliquée au stator, 3025672 8 Rs représente la résistance du stator de la machine, et R, représente la résistance du rotor de la machine. L'avantage d'utiliser ce référentiel, est d'avoir des grandeurs 5 constantes en régime permanent. Il est alors plus aisé d'en faire la régulation. La commande de la machine électrique peut être décrite dans un référentiel lié au stator. Dans ce cas les repères (as,(3s) et (d,q) sont confondus. On a alors le système d'équations suivant : 10 O (Eq. 12) = -19 = -pn En combinant les équations Eq. 11 et Eq. 12, on peut alors écrire le système d'équations suivant : 15 (Eq. 13) On ajoute par ailleurs l'équation mécanique suivante : - I - =O dt (Eq. 14) 20 Avec : Cr : le couple résistant J : l'inertie de la machine électrique. En modélisant la machine de cette manière, on réduit le nombre 25 de grandeurs dont on a besoin de connaître la valeur pour pouvoir commander le fonctionnement de la machine. En effet, seules les valeurs instantanées des tensions statoriques doivent être déterminées pour les imposer à la machine. 3025672 9 Il n'est donc pas nécessaire de connaitre la valeur des autres grandeurs telles que la pulsation statorique ou le glissement comme dans d'autres modèles, notamment celui lié à un référentiel tournant au synchronisme (Eq. 8, Eq. 9 et Eq. 10). 5 Pour commander des machines asynchrones, il est possible d'utiliser une commande dite vectorielle. Le but de la commande vectorielle est de commander la machine asynchrone comme une machine à courant continu à excitation indépendante laquelle comprend un découplage entre la grandeur commandant le flux, le 10 courant d'excitation, et celle liée au couple, le courant d'induit. Ce découplage est inhérent à la conception de la machine à excitation indépendante et permet d'obtenir une réponse très rapide du couple lors d'une commande. Pour cela, on oriente le repère de Park d-q de sorte que l'axe d 15 soit en phase avec le flux, c'est-à-dire : = = 0 (Eq. 14) La commande vectorielle ainsi obtenue est dite à orientation du flux rotorique. Elle permet d'éliminer l'influence des réactances de fuite rotorique et statorique et donne de meilleurs résultats que les 20 méthodes basées sur l'orientation du flux statorique. Les conditions de l'équation Eq. 14 peuvent être transposées à la commande de la machine électrique en fixant (Pr = (Pdr (Pqr-0 (Eq. 15) 25 Les équations de la machine dans un référentiel lié au champ tournant (Eq. 13) deviennent alors : ÈÏ, = (Eq. 16) 30 cit + Or 3025672 10 Avec : 'Cr : la constante de temps rotorique. 5 Par ailleurs, il existe des méthodes de commande vectorielle directes et indirectes. Dans la commande indirecte, l'angle de Park 0, est calculé à partir de la pulsation statorique, elle-même reconstituée à l'aide de la 10 vitesse de la machine et de la pulsation rotorique cor. En ce qui concerne la commande directe, l'angle de Park est calculé directement à l'aide des grandeurs mesurées ou estimées. La commande vectorielle est dite à boucle ouverte s'il n'y a 15 pas de régulation de flux. Le flux est imposé dans ce cas par le courant Id, .La pulsation statorique peut alors uniquement être estimée par la relation suivante : (Eq. 17) 20 Avec : On note que f est une cartographie fonction du régime 25 mécanique. Cette dernière est issue d'une optimisation énergétique de la machine La commande vectorielle est dite à boucle fermée, si la pulsation statorique est estimée à partir de la valeur du flux rotorique ou du courant magnétisant. 30 La commande vectorielle indirecte par orientation du flux rotorique repose essentiellement deux paramètres, M et 'Cr, qui lient le flux rotorique et le courant Id, qui le contrôle. Ces paramètres 3025672 11 permettent également de calculer l'angle Os que forme le champ tournant par rapport au repère fixe (as, (3 s) . Une surestimation ou une sous-estimation de la constante de temps rotorique -Cr conduisent respectivement à une surexcitation ou à 5 une sous-excitation de la machine. Dans les deux cas, l'amplitude et la phase du flux rotorique ne sont pas celles que l'on voudrait imposer, il en résulte une dégradation des performances, voir une instabilité du système. En partant de ce constat, la commande directe est privilégiée. 10 La commande vectorielle directe par orientation du flux rotorique nécessite la reconstitution du flux rotorique, afin de pouvoir déterminer l'angle Os de façon précise. La détermination de cet angle est réalisée par un observateur de flux, notamment celui décrit dans la demande de brevet FR1453935 déposée le 30 avril 2014. 15 En orientant le flux rotorique, on obtient le modèle suivant : vdr (Eq. 18) ci t 'Pr = - 20 Les tensions Vds et Vqs stabilisent la machine autour d'un point de fonctionnement désiré. Elles sont déterminées par application des équations suivantes : (Eq. 19) 25 Avec 3025672 Lr Kp et K - des paramètres de réglage ; et '9- : variables permettant de spécifier le point de 5 fonctionnement de référence ; (Pr et clis : valeurs calculées par l'intermédiaire de l'observateur. 10 La figure 3 illustre les principaux éléments d'un système de commande 1 apte à déterminer les tensions (Vas,Vbs,Vcs) d'alimentation d'une machine électrique asynchrone 2 pour une commande vectorielle directe par orientation du flux rotorique. Pour cela, un moyen de détermination de la volonté du 15 conducteur 4, tel un capteur d' enfoncement de la pédale d'accélérateur, émet une requête de couple en fonction de la volonté du conducteur. La requête de couple est reçue en entrée d'un moyen 5 de détermination de points de fonctionnement apte à déterminer un point 20 de fonctionnement comprenant une requête de pulsation du rotor c.'-}r et une requête de flux du rotor Vr Le flux de référence est donné par une cartographie en fonction du régime mécanique. Cette dernière est issue d'une optimisation énergétique de la machine. En parallèle, des capteurs 6 transmettent différentes mesures 25 telles que les mesures brutes des courants et de la vitesse mécanique, à destination d'un moyen de calcul 7 apte à déterminer la vitesse de rotation mécanique n, et les valeurs instantanées des courants d'alimentation du stator Ias, Ibs, Ics dans le repère triphasé (a,b,c). Un moyen de détermination 8 des courants de stator dans le 30 repère diphasé (oc,(3) reçoit les valeurs instantanées des courants d'alimentation du stator Ias, Ibs, Ias dans le repère triphasé (a,b,c). Le 12 3025672 13 moyen de détermination 8 applique les équations Eq. 1 afin de passer de grandeurs triphasées à des grandeurs diphasées. Un moyen de détermination 9 des courants de stator dans le repère de Park reçoit les valeurs instantanées des courants de stator 5 dans le repère diphasé (a,(3).Le moyen de détermination 9 applique l'équation Eq. 3 afin de passer de grandeurs diphasées (Ias,Ips) à des grandeurs dans le repère de Park (Ids, Iqs). Un moyen de calcul 10 applique un observateur aux valeurs instantanées des courants de stator dans le repère diphasé (a,(3),aux 10 valeurs instantanées des tensions de stator dans le repère diphasé (cc,(3), et à la vitesse de rotation mécanique n afin de déterminer l'angle Os que forme le champ tournant par rapport au repère (as, f3s) fixe par rapport au stator, la valeur calculée q9r du flux rotorique et la valeur calculée Lu; de la pulsation statorique par l'intermédiaire de 15 l'observateur. Un moyen de calcul 11 applique les équations Eq. 19 aux valeurs émises en sortie du moyen 5 de détermination de points de fonctionnement, du moyen de détermination 9 des courants de stator dans le repère de Park et du moyen de calcul 10 par observateur. 20 Le moyen de calcul 11 détermine des valeurs de tensions du stator dans le repère de Park (Vds,Vqs). Un moyen de détermination 12 des valeurs de tensions du stator dans le repère diphasé applique les équations Eq. 4 afin de passer du repère de Park au repère diphasé. 25 Un moyen de détermination 13 des valeurs de tensions du stator dans le repère triphasé applique les équations Eq. 2 afin de passer du repère diphasé au repère triphasé. Les valeurs de tensions triphasées du stator ainsi déterminées sont transmises au moyen de commande (non représenté) de l'onduleur d'alimentation de la machine électrique 30 2 afin de générer les tensions correspondantes. Son stator ainsi alimenté, la machine électrique 2 génère une couple moteur Ce, qui est transmis à la roue 3 de façon classique. La figure 4 illustre les principales étapes d'un procédé de commande permettant de déterminer les tensions (Vas,Vbs,Vcs) 3025672 14 d'alimentation d'une machine électrique asynchrone 2 pour une commande vectorielle directe par orientation du flux rotorique. Pour cela, au cours d'une première étape 14, on détermine la volonté du conducteur, par exemple par mesure de l'enfoncement de la 5 pédale d'accélérateur, afin de déterminer une requête de couple en fonction de la volonté du conducteur. Au cours d'une deuxième étape 15, on détermine un point de fonctionnement comprenant une requête de pulsation du rotor cdr et une requête de flux du rotor Vr en fonction de la requête de couple 10 En parallèle, au cours d'une troisième étape 16, on détermine à la vitesse de rotation mécanique n, et les valeurs instantanées des courants d'alimentation du stator 'as, Ibs, Ics dans le repère triphasé (a,b,c) en fonction de mesures de capteurs. Au cours d'une quatrième étape 17, on détermine des courants 15 de stator dans le repère diphasé (cc,(3) en fonction des valeurs instantanées des courants d'alimentation du stator 'as, Ibs, Ics dans le repère triphasé (a,b,c) par application des équations Eq. 1. Au cours de l'étape suivante 18, on détermine les courants de stator dans le repère de Park en fonction des valeurs instantanées des 20 courants de stator dans le repère diphasé (ct,(3) par application de l'équation Eq. 3. Au cours d'une étape suivante 19, on détermine l'angle Os que forme le champ tournant par rapport au repère (as, (3s) fixe par rapport au stator, la valeur calculée Vr du flux rotorique et la valeur calculée 25 6°s de la pulsation statorique par l'intermédiaire d'un observateur choisi en fonction des valeurs instantanées des courants de stator dans le repère diphasé (cc,(3), des valeurs instantanées des tensions de stator dans le repère diphasé (cc,(3), et de la vitesse de rotation mécanique n. Au cours d'une étape suivante 20, on détermine des valeurs de 30 tensions du stator dans le repère de Park (Vds,Vqs) en fonction des valeurs du point de fonctionnement, des courants de stator dans le repère de Park et des valeurs déterminées par observateur, en appliquant les équations Eq. 19. 3025672 15 Au cours d'une étape 21, on détermine les valeurs de tensions du stator dans le repère diphasé en fonction des valeurs de tensions du stator dans le repère de Park par application des équations Eq. 4. Au cours d'une étape 22, on détermine les valeurs de tensions 5 du stator dans le repère triphasé en fonction des valeurs de tensions du stator dans le repère diphasé par application des équations Eq. 2. On transmet les valeurs de tensions triphasées du stator ainsi déterminées à l'onduleur d'alimentation de la machine électrique 2 afin de générer les tensions correspondantes. Son stator ainsi alimenté, 10 la machine électrique 2 génère une couple moteur Ce, qui est transmis à la roue 3 de façon classique. Le présent procédé peut être appliqué à d'autres types de machines tournantes moyennant l'emploi d'un changement de repère adapté. REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'une machine électrique asynchrone d'un groupe motopropulseur d'un véhicule automobile à traction électrique ou hybride caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes : - on détermine une requête de couple du conducteur, - on détermine un point de fonctionnement comprenant une requête de pulsation du rotor et une requête de flux du rotor en fonction de la requête de couple du conducteur, - on détermine la vitesse de rotation mécanique, et les valeurs instantanées des courants d'alimentation du stator dans le repère triphasé, - on calcule des valeurs de courant du stator dans le repère de Park, - on détermine l'angle de Park, le flux rotorique et la pulsation statorique, - on détermine des valeurs de tensions du stator dans le repère de Park en fonction de la valeur calculée du flux rotorique et de la valeur calculée de la pulsation statorique, des courants de stator dans le repère de Park, de la requête de pulsation du rotor et de la requête de flux du rotor, et - on calcule des valeurs de tensions du stator dans le repère triphasé. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on commande la machine électrique par orientation du flux rotorique en annulant la composante quadratique du flux dans le repère de Park. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on commande la machine électrique par commande vectorielle directe en calculant l'angle de Park directement à partir des grandeurs mesurées ou estimées. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel on détermine l'angle de Park par l'intermédiaire d'un observateur. 3025672 17 5. Système de commande d'une machine électrique asynchrone d'un groupe motopropulseur d'un véhicule automobile à traction électrique ou hybride caractérisé par le fait qu'il comprend : - un moyen de détermination de la volonté du conducteur (4) 5 apte à déterminer une requête de couple du conducteur, - un moyen de détermination (5) de points de fonctionnement apte à déterminer un point de fonctionnement comprenant une requête de pulsation du rotor et une requête de flux du rotor en fonction de la requête de couple du conducteur, 10 - un moyen de calcul (7) apte à déterminer la vitesse de rotation mécanique, et les valeurs instantanées des courants d'alimentation du stator dans le repère triphasé, -des moyens (8,9) de calcul des valeurs de courant du stator dans le repère de Park, 15 - un moyen de calcul (10) de l'angle de Park, du flux rotorique et de la pulsation statorique, - un moyen de calcul (11) des valeurs de tensions du stator dans le repère de Park en fonction de la valeur calculée du flux rotorique et de la valeur calculée de la pulsation statorique, des 20 courants de stator dans le repère de Park, de la requête de pulsation du rotor et de la requête de flux du rotor, et -des moyens (12,13) de calcul des valeurs de tensions du stator dans le repère triphasé. 6. Système selon la revendication 5, dans lequel le moyen de 25 calcul (10) est apte à calculer l'angle de Park directement à partir des grandeurs mesurées ou estimées. 7. Système selon la revendication 5, dans lequel le moyen de calcul (10) est apte à appliquer un observateur aux valeurs instantanées des courants de stator dans le repère diphasé, aux valeurs 30 instantanées des tensions de stator dans le repère diphasé, et à la vitesse de rotation mécanique afin de déterminer l'angle de Park, une valeur calculée du flux rotorique et une valeur calculée de la pulsation statorique.