Brevet FR3027474A1 — publié le 20160422

DISPOSITIF DE DEFLUXAGE AUTOMATIQUE ET ADAPTATIF ET PROCEDE METTANT EN OEUVRE UN TEL DISPOSITIF L'invention se situe dans le domaine de pilotage de moteurs (on parle aussi de machines électriques) à courants alternatifs. Elle concerne un dispositif de défluxage automatique et adaptatif. L'invention concerne aussi un procédé de défluxage automatique et adaptatif mettant en oeuvre un tel dispositif. Dans le domaine du pilotage des moteurs à courants alternatifs, qu'ils soient de type moteur synchrone ou asynchrone, on utilise couramment la commande vectorielle. La commande vectorielle est un terme générique désignant l'ensemble des commandes tenant compte en temps réel des équations du système qu'elle commande. Le nom de ces commandes vient du fait que les relations finales sont vectorielles à la différence des commandes scalaires. Les relations ainsi obtenues sont bien plus complexes que celles des commandes scalaires, mais, en contrepartie, elles permettent d'obtenir de meilleures performances lors des régimes transitoires. Pour un moteur à courants alternatifs, il existe une limite de fonctionnement. Il s'agit de la limitation de la puissance qui est imposée par la source d'alimentation. En effet, une alimentation en courant est réalisée à partir d'une source de tension régulée en courant. Cette source est imparfaite et elle est limitée en puissance par la tension du bus continu d'alimentation. Dans le mode de fonctionnement le plus élémentaire de la commande vectorielle, où l'angle d'autopilotage est maintenu constant à 0, il existe une vitesse limite, appelée vitesse de base, au-delà de laquelle il n'est plus possible de maintenir le courant maximum (et donc le couple maximum) à cause de la limitation en tension de la source d'alimentation. L'écart entre cette tension limite et la force électromotrice (connue aussi sous son abréviation f.e.m.) de la machine devient, en effet, insuffisant pour continuer à fonctionner à courant maximum. Au-delà de la vitesse de base, on perd le contrôle des boucles de régulation. Au-delà de la vitesse de base, si l'on souhaite continuer à contrôler le couple de la machine, il est nécessaire de défluxer (ou bien de désexciter) comme pour les machines à courant continu. La puissance maximale de fonctionnement, limitée par la source d'alimentation, est alors maintenue constante et le couple maximum décroît. Ce fonctionnement est appelé le fonctionnement en survitesse et il est obtenu par défluxage. Les techniques de défluxage actuelles s'appuient sur des lois de commande issues de la mise en équation des paramètres de la machine. Ce type de fonctionnement présente deux inconvénients majeurs. Tout d'abord, il est nécessaire de connaître les paramètres physiques de la machine comme, par exemple, l'inductance d'axe direct de l'induit, l'inductance d'axe en quadrature de l'induit, la résistance de l'induit, ... De plus, les machines peuvent être amenées à fonctionner dans des zones non linéaires dans lesquelles la mise en équation des lois de commande n'est plus nécessairement vérifiée. La connaissance des paramètres de la machine n'est pas toujours évidente car la valeur des paramètres peut varier en fonction de la fréquence d'utilisation de la machine, de la température et de la saturation des matériaux électromagnétiques. De plus, certains paramètres de la machine sont parfois détenus exclusivement par le concepteur de la machine et ne sont pas communiqués à l'industriel en charge de réaliser la commande du moteur. Les techniques actuelles de défluxage se basant sur une 30 connaissance précise des paramètres de la machine, il est indispensable de réadapter systématiquement la commande de défluxage dès que l'on change le moteur à piloter. Actuellement, une fois les lois de commande en mode linéaire 35 établies, une phase expérimentale est nécessaire pour venir pondérer les paramètres de la machine en fonction de différents paramètres physiques tels que la vitesse de rotation, la température et la saturation de la machine. Autrement dit, en plus de réadapter la commande de défluxage à chaque nouvelle machine, il faut en plus effectuer des tests expérimentaux supplémentaires pour adapter les paramètres. Le défluxage est facilement réalisable sur une machine à inducteur bobiné. En revanche, dans le cas des machines à aimants permanents, le défluxage est obtenu en injectant des courants générant un 10 champ démagnétisant. Dans ce dernier cas, l'efficacité du défluxage ne peut être obtenue que grâce à des commandes sophistiquées basées sur une connaissance précise des paramètres de la machine qui permettront, par une mise en 15 équation, de mettre en oeuvre les lois de commande du moteur. La présente invention propose de s'affranchir de la connaissance des paramètres de la machine dans la technique de défluxage et de réaliser ainsi un principe de défluxage automatique et adaptatif. 20 A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de pilotage en commande vectorielle d'un moteur électrique apte à recevoir une consigne de fonctionnement, le moteur comprenant : - un stator comprenant des enroulements, apte à recevoir un courant de 25 pilotage et produire un champ magnétique tournant, les enroulements du stator générant une tension aux bornes du moteur - un rotor comprenant des aimants permanents produisant un champ magnétique destiné à suivre le champ magnétique tournant caractérisé en ce qu'il comprend : 30 - un moyen de génération d'un courant dans un domaine vectoriel, - un moyen de calcul configuré pour faire une transformée du courant (Idref) du domaine vectoriel vers un domaine réel permettant la génération du courant de pilotage, - un moyen de calcul inverse configuré pour faire une transformée 35 inverse d'un paramètre mesuré dans le domaine réel sur les enroulements statoriques en une transformée du paramètre dans le domaine vectoriel, - un moyen de comparaison de la valeur de la transformée inverse du paramètre avec une valeur maximale prédéfinie du paramètre, dont le résultat permet de piloter le moyen de génération du courant dans le domaine vectoriel. Avantageusement, le courant généré par le moyen de génération du courant dans le domaine vectoriel est un courant de consigne direct établi en coordonnées de Park et le moyen de calcul est configuré pour recevoir un courant de consigne en quadrature établi en coordonnées de Park et proportionnel à la consigne de fonctionnement. Selon un mode de réalisation, le paramètre mesuré dans le 15 domaine réel est la tension aux bornes du moteur. Selon un autre mode de réalisation, le moyen de génération du courant est un correcteur de défluxage délivrant le courant: - nul si la valeur de la transformée inverse du paramètre est inférieure à 20 la valeur maximale prédéfinie de paramètre Dmax ou - non nul si la valeur de la transformée inverse du paramètre est supérieure ou égale à la valeur maximale prédéfinie de paramètre Dmax. 25 Selon un autre mode de réalisation, le moyen de génération du courant est un correcteur de défluxage proportionnel intégral. Selon un autre mode de réalisation, le moyen de génération du courant est un correcteur de défluxage intégral. 30 L'invention a également pour objet un procédé de pilotage en commande vectorielle d'un moteur électrique par un dispositif selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - injection d'un courant destiné à modifier le champ magnétique produit par le stator de manière à ce que le paramètre corresponde à la consigne de fonctionnement. Avantageusement, le procédé selon l'invention comporte au préalable une étape de comparaison de la valeur de la transformée inverse du paramètre avec une valeur maximale prédéfinie de paramètre. Selon un mode de réalisation, le procédé comporte une étape de 10 génération d'un courant nul si la valeur de la transformée inverse du paramètre est inférieure à la valeur maximale prédéfinie de paramètre. Selon un autre mode de réalisation, le procédé comporte une étape de génération d'un courant ldref non nul si la valeur de la transformée 15 inverse du paramètre est supérieure ou égale à la valeur maximale prédéfinie de paramètre. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation 20 donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : - la figure 1 représente schématiquement un dispositif de pilotage en commande vectorielle d'un moteur à aimants permanents selon l'invention; - la figure 2 représente un diagramme de Fresnel en régime de 25 fonctionnement défluxé ; - la figure 3 représente schématiquement un moyen de génération d'un courant du dispositif selon l'invention ; - la figure 4 représente schématiquement un exemple de pilotage en commande vectorielle d'un moteur à aimants permanents selon 30 l'invention; - la figure 5 représente les étapes d'un procédé de pilotage en commande vectorielle d'un moteur à aimants permanents selon l'invention. 302 74 74 6 Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. Dans cette demande, nous évoquerons essentiellement les 5 moteurs à aimants permanents. Il est à noter que l'invention s'applique également à des moteurs à rotor bobiné en faisant varier le courant dans le rotor. La figure 1 représente schématiquement un dispositif 10 de 10 pilotage en commande vectorielle d'un moteur 11 à aimants permanents selon l'invention. Un modèle scalaire ne permet pas de connaître le module et l'orientation d'un champ magnétique. Afin de les déterminer, un autre modèle 15 se base sur des relations de base du moteur 11. Pour cela, on utilise une transformation mathématique qui permet notamment de remplacer trois enroulements décalés de 120° par deux enroulements (notés d et q) en quadrature et solidaires du rotor du moteur 11. Autrement dit, pour être dans un plan lié au rotor, deux transformations successives sont faites. La 20 première transformation permet de ramener le modèle triphasé à un modèle diphasé. La seconde transformation permet une représentation de type Fresnel en modélisant la machine dans un repère tournant lié au rotor. Ainsi, à partir d'un domaine réel, une transformation mathématique, ou transformée, permet de manipuler des grandeurs dans un domaine vectoriel. 25 Le dispositif 10 de pilotage en commande vectorielle du moteur 11 à aimants permanents est apte à recevoir une consigne 12 de fonctionnement. La consigne 12 de fonctionnement peut être une consigne de vitesse ou bien une consigne de couple à délivrer par le moteur 11. Le 30 moteur 11 comprend un stator comprenant des enroulements. Le stator est apte à recevoir un courant de pilotage et produire un champ magnétique tournant, les enroulements du stator générant une tension fcem aux bornes du moteur 11. Cette tension est communément appelée force contre-électromotrice. Le moteur 11 comprend un rotor comprenant des aimants 35 permanents produisant un champ magnétique destiné à suivre le champ magnétique tournant. Selon l'invention, le dispositif 10 de pilotage comprend un moyen de génération 13 d'un courant ldref dans un domaine vectoriel. Le dispositif comprend également un moyen de calcul 14 configuré pour faire une transformée du courant Idref du domaine vectoriel vers un domaine réel permettant la génération du courant de pilotage il, i2, i3 pour du courant triphasé. Le dispositif 10 comprend un moyen de calcul inverse 15 configuré pour faire une transformée inverse d'un paramètre mesuré dans le domaine réel sur les enroulements statoriques du moteur 11 en une transformée du paramètre Ddq dans le domaine vectoriel. Le paramètre mesuré dans le domaine réel peut être par exemple une tension fcem aux bornes du moteur, aussi communément désignée par le terme force contre-électromotrice. Le moyen de calcul inverse 15 fait dans ce cas une transformée inverse de la tension fcem mesurée dans le domaine réel sur les enroulements statoriques du moteur 11 en une transformée de la tension Ddq dans le domaine vectoriel. Le dispositif 10 comprend enfin un moyen de comparaison 16 de la valeur de la transformée inverse du paramètre Ddq avec une valeur maximale prédéfinie Dmax du paramètre, dont le résultat permet de piloter le moyen de génération 13 du courant ldref dans le domaine vectoriel. Les grandeurs du domaine réel correspondent aux grandeurs réelles que l'on mesure au niveau du dispositif 10. On peut notamment citer une tension ou un courant réels. Le domaine vectoriel fait référence à un domaine dans lequel une 25 grandeur est décomposée en deux composantes selon un axe direct d et un axe transverse q. Le domaine vectoriel correspond à un repère tournant lié au champ magnétique du stator. Ainsi, le courant ldref généré par le moyen de génération 13 du 30 courant dans le domaine vectoriel est un courant de consigne direct établi en coordonnées de Park et le moyen de calcul 15 est configuré pour recevoir un courant de consigne lqref en quadrature établi en coordonnées de Park et proportionnel à la consigne de vitesse (ou de couple) que reçoit le moteur 11. La figure 2 représente un diagramme de Fresnel en régime de fonctionnement défluxé. Sur le diagramme de Fresnel représenté sur la figure 2, on peut voir les deux axes direct d et transverse q du domaine vectoriel. Le moteur présente une limite en tension 20. Du fait de la limite en 5 tension 20, en fonctionnement normal, le moteur 11 a une vitesse limite, appelée vitesse de base, au-delà de laquelle il n'est plus possible de maintenir le courant maximum, et donc le couple maximum. Pour étendre la plage de vitesse, il faut réduire le flux magnétique dans l'axe direct d. Pour cela, on injecte un courant générant un flux démagnétisant qui permet une 10 réduction de la tension induite globale. Autrement dit, l'affaiblissement du champ inducteur en commande vectorielle se fait en régulant le courant Idref en fonction de la vitesse. Plus précisément, le moyen de génération 13 du courant est un 15 correcteur de défluxage délivrant le courant Idref nul si la valeur de la transformée inverse du paramètre est inférieure à la valeur maximale prédéfinie de paramètre (c'est-à-dire inférieure à la valeur Dmax) ou non nul si la valeur de la transformée inverse du paramètre (c'est-à-dire la tension Ddq) est supérieure ou égale à la valeur maximale prédéfinie de paramètre 20 Dmax. La figure 3 représente schématiquement un tel moyen de génération 13 d'un courant Idref du dispositif 10 selon l'invention. Le moyen de comparaison 16 détermine si la valeur de Ddq est inférieure ou supérieure ou égale à la valeur Dmax. Le correcteur de défluxage 17 délivre alors le 25 courant Idref correspondant. Le correcteur de défluxage 17 peut par exemple être un correcteur proportionnel intégral ou un correcteur intégral seulement. Il est à noter que le courant Idref est nul si la valeur de Ddq est inférieure à la valeur Dmax. Quand la valeur de Ddq est supérieure à la 30 valeur Dmax, le correcteur 17 génère un courant Idref négatif. Ainsi, comme représenté sur la figure 2 sur l'axe direct d, le courant Idref diminue le flux d'inducteur 21, et ainsi la force contre-électromotrice aux bornes du moteur 11. Cela permet d'étendre la gamme de vitesse du moteur 11, et la tension ne sort pas du cercle de la tension limite 20 (représenté sur la figure 2). 35 302 74 74 9 La figure 4 représente schématiquement un exemple de pilotage en commande vectorielle d'un moteur 111 à aimants permanents selon l'invention. Le moteur 111 reçoit d'un moyen de calcul 114 des courants de pilotage il, i2 et i3. Un moyen de calcul inverse 115 est configuré pour faire une transformée inverse de la tension fcem mesurée aux bornes du moteur 111 dans le domaine réel sur les enroulements statoriques du moteur 111 en une transformée de la tension pour donner la valeur Ddq dans le domaine vectoriel. Un moyen de comparaison 116 compare la valeur de la transformée inverse de la tension Ddq avec une valeur maximale prédéfinie de la tension Dmax. Le résultat de cette comparaison permet de piloter un moyen de génération 113 d'un courant dans le domaine vectoriel. Selon le résultat de la comparaison, le moyen de génération 113 génère un courant ldref nul ou non nul. Le courant ldref est nul si la tension Ddq est inférieure à la tension maximale Dmax. Et le courant ldref est non nul si la tension Ddq est supérieure ou égale à la tension maximale Dmax. Le courant ldref est alors dirigé vers le moyen de calcul 114 pour générer les courants de pilotage il, i2, i3. En parallèle, une valeur de vitesse du moteur 111 est transmise au moyen de calcul inverse 115. Le moyen de calcul inverse 115 fait une transformée inverse de la vitesse mesurée aux bornes du moteur 111 dans le domaine réel en une transformée de la vitesse pour donner la valeur w dans le domaine vectoriel. Un moyen de comparaison 117 compare la valeur de la transformée inverse de la vitesse w avec une valeur maximale prédéfinie de la vitesse wref pour que le moteur 111 n'excède pas une vitesse maximale. Le résultat de cette comparaison permet de piloter un régulateur de vitesse 119 délivrant un courant lqref dans le domaine vectoriel. Le courant lqref est transmis au moyen de calcul 114 en tant que consigne de vitesse de fonctionnement du moteur 111. Représentés dans le diagramme de Fresnel de la figure 2, les courants ldref et lqref dans le domaine vectoriel sont en fait les deux composantes d'un courant I représenté vectoriellement et définissant ainsi l'angle d'autopilotage PSI. Et les courants de pilotage il, i2 et i3 du moteur 111 sont générés en fonction des valeurs de ldref et lqref. L'exemple de pilotage en commande vectorielle du moteur 111 35 prend en compte ici une consigne de vitesse. Néanmoins, comme déjà précisé précédemment, il est tout à fait possible de piloter le moteur 111 avec une consigne de couple. On peut ainsi obtenir un défluxage en jouant sur l'angle d'autopilotage PSI, en créant une composante de flux démagnétisant. L'affaiblissement du champ inducteur en commande vectorielle se fait en régulant le courant ldref en fonction de la vitesse. A vitesse faible et moyenne, ldref est commandé à zéro. Quand la vitesse augmente jusqu'à atteindre les limites imposées par la force contre-électromotrice qui crée une 10 chute de tension telle que le moteur ne peut plus accélérer, le courant ldref est augmenté. Augmenter le courant ldref réduit le flux d'inducteur et ainsi la force contre-électromotrice, ce qui permet d'étendre la gamme de vitesse du moteur. Autrement dit, l'injection du courant Idref permet de défluxer le 15 moteur de manière automatique. En effet, le courant ldref imposé par le pilotage n'est pas issu d'équations complexes mais est directement défini en fonction d'un seul critère qui est la force contre-électromotrice aux bornes du moteur. De ce fait, le défluxage est automatique car il n'est pas prédéfini par des équations ou tabulations. Et le défluxage est également adaptatif : 20 lorsque l'on change le moteur à piloter, le dispositif s'adapte aux variations de paramètres physiques tels que la vitesse du moteur, mais aussi la température et la saturation du moteur. Ainsi, il n'est plus nécessaire de connaître les paramètres physiques de la machine, parfois inconnus de l'utilisateur. Et aucune 25 réadaptation systématique de la commande de défluxage n'est nécessaire quand on change le moteur à piloter. La figure 5 représente les étapes d'un procédé de pilotage en commande vectorielle d'un moteur à aimants permanents selon l'invention. 30 Le procédé selon l'invention comporte au préalable une étape 200 de comparaison de la valeur de la transformée inverse du paramètre avec une valeur maximale prédéfinie de paramètre. Selon le résultat de la comparaison, le procédé comporte une étape de génération d'un courant nul (étape 201) si la valeur de la transformée inverse du paramètre est inférieure 35 à la valeur maximale prédéfinie de paramètre. Si la valeur de la transformée inverse du paramètre est supérieure ou égale à la valeur maximale prédéfinie de paramètre, le procédé comporte une étape de génération d'un courant ldref non nul (étape 202). Enfin, le courant est injecté vers le moyen de calcul 14 et est destiné à modifier le champ magnétique produit par le stator de manière à ce que le paramètre (par exemple la tension) corresponde à la consigne de fonctionnement. REVENDICATIONS1. Dispositif (10) de pilotage en commande vectorielle d'un moteur électrique (11, 111) apte à recevoir une consigne de fonctionnement, le moteur (11, 111) comprenant : - un stator comprenant des enroulements, apte à recevoir un courant de pilotage (il, i2, i3) et produire un champ magnétique tournant, les enroulements du stator générant une tension (fcem) aux bornes du moteur (11, 111) - un rotor produisant un champ magnétique destiné à suivre le champ magnétique tournant -10 caractérisé en ce qu'il comprend : - un moyen de génération (13, 113) d'un courant (Idref, lqref) dans un domaine vectoriel, - un moyen de calcul (14, 114) configuré pour faire une transformée du courant (Idref) du domaine vectoriel vers un domaine réel permettant 15 la génération du courant de pilotage (il, i2, 13), - un moyen de calcul inverse (15, 115) configuré pour faire une transformée inverse d'un paramètre mesuré dans le domaine réel sur les enroulements statoriques en une transformée du paramètre dans le domaine vectoriel, 20 - un moyen de comparaison (16, 116; 117) de la valeur de la transformée inverse du paramètre avec une valeur maximale prédéfinie du paramètre (Dmax), dont le résultat permet de piloter le moyen de génération (113) du courant dans le domaine vectoriel. 25 2. Dispositif (10) de pilotage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant généré par le moyen de génération (13, 113) du courant (Idref) dans le domaine vectoriel est un courant de consigne direct établi en coordonnées de Park et en ce que le moyen de calcul (14, 114) est configuré pour recevoir un courant de consigne en quadrature Ocre° établi en 30 coordonnées de Park et proportionnel à la consigne de fonctionnement. 3. Dispositif (10) de pilotage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le paramètre mesuré dans le domaine réel est la tension (fcem) aux bornes du moteur (11, 111). 4. Dispositif (10) de pilotage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de génération (13, 113) du courant (Idref) est un correcteur de défluxage délivrant le courant (Idref) : - nul si la valeur de la transformée inverse du paramètre est inférieure à la valeur maximale prédéfinie de paramètre (Dmax) ou - non nul si la valeur de la transformée inverse du paramètre est supérieure ou égale à la valeur maximale prédéfinie de paramètre (Dmax). 5. Dispositif (10) de pilotage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de génération (13, 113) du courant (Idref) est un correcteur de défluxage proportionnel intégral. 6. Dispositif (10) de pilotage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de génération (13, 113) du courant (Idref) est un correcteur de défluxage intégral. 7. Procédé de pilotage en commande vectorielle d'un moteur électrique par un dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape suivante : - génération d'un courant (Idref) destiné à modifier le champ magnétique produit par le stator de manière à ce que le paramètre corresponde à la consigne de fonctionnement (étape 203) 8. Procédé de pilotage en commande vectorielle d'un moteur électrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte au préalable une étape (200) de comparaison de la valeur de la transformée 30 inverse du paramètre avec une valeur maximale prédéfinie de paramètre. 9. Procédé de pilotage en commande vectorielle d'un moteur électrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte une étape (201) de génération d'un courant (Idref) nul si la valeur de la 35 transformée inverse du paramètre est inférieure à la valeur maximale prédéfinie de paramètre (Dmax). 10. Procédé de pilotage en commande vectorielle d'un moteur électrique selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une étape (202) de génération d'un courant (Idref) non nul si la valeur de la 5 transformée inverse du paramètre est supérieure ou égale à la valeur maximale prédéfinie de paramètre (Dmax).