Brevet FR3034590A1 — publié le 20161007

Procédé de commande d'une machine synchrone à aimant permanent, et dispositif correspondant Arrière-plan de l'invention L'invention se rapporte au domaine général des machines synchrones à aimants permanents, et plus particulièrement à la commande des machines synchrones à aimant permanent. Les machines synchrones à aimants permanents sont généralement alimentées au moyen d'une source d'alimentation en courant continu et d'un onduleur disposé entre la source d'alimentation en courant continu et la machine synchrone à aimants permanents. On connait de l'état de la technique différentes méthodes de 15 commande des onduleurs alimentant des machines synchrones à aimant permanents. On connait notamment des commandes dites vectorielles qui nécessitent de connaître précisément la position du rotor de la machine. Cette position peut être obtenue par un dispositif désigné par l'homme du 20 métier sous le vocable de « resolver », ou encore par des encodeurs. Ces dispositifs sont onéreux et volumineux, ce qui les rend incompatible avec de nombreuses applications nécessitant un faible encombrement et un faible coût. Il a également été proposé des commandes d'onduleur dites 25 trapézoïdales ou encore « commande 120° ». Une commande trapézoïdale utilise trois capteurs à effet Hall pour détecter la position angulaire du rotor selon six positions. La commande trapézoïdale présente six points de fonctionnement correspondant chacun à un secteur angulaire du rotor. Les commandes trapézoïdales présentent des inconvénients pour les 30 machines synchrones à aimants permanents et à force électromotrice (FEM) sinusoïdale, puisqu'elles provoquent l'apparition d'harmoniques et de subharmoniques importants. Pour traiter ces harmoniques, des filtres sont utilisés entre la source d'alimentation en courant continu et l'onduleur. 3034590 2 Cela étant, les harmoniques générées par la mise en oeuvre des commandes trapézoïdales sont telles que des filtres munis de composants volumineux et coûteux doivent être utilisés pour les traiter. En outre, une parde des courants imposés au stator par une 5 commande trapézoïdale n'est pas en phase avec la FEM, et ces courants ne participent pas à la création de couple mais ils créent des pertes joules supplémentaires ce qui nuit au rendement de la machine. Il a également été proposé de mettre en oeuvre une commande vectorielle sans utiliser de capteurs de position, par exemple en linéarisant 10 la position du rotor, ou encore en utilisant des algorithmes d'estimation de la position du rotor. Certaines solutions selon l'art antérieur n'utilisent aucun capteur mécanique et elles mettent en oeuvre une estimation du vecteur FEM à vide à partir de tensions imposées, de courants mesurés, et des équations de la machine. La FEM étant proportionnelle à la vitesse, il est possible d'en déduire une estimation de la position du rotor. Le document CA 2782558 décrit une solution de ce type. Cela étant, la FEM est nulle à l'arrêt de la machine, et elle est noyée dans les bruits de mesure dans les vitesses faibles. Les méthodes 20 dans lesquelles le vecteur FEM est estimé ne sont alors pas adaptées à ces situations. Pour résoudre ce problème, il a été proposé d'injecter un signal à hautes fréquences pour faire vibrer la machine pour faire apparaitre une FEM. Une telle solution est décrite dans le document WO 2012 143458. 25 Cette solution a pour inconvénient de nécessiter une connaissance précise des paramètres de la machine et l'utilisation d'un filtre de Kalman qui requiert un temps de calcul long et une grande quantité de ressources logicielles. Le document WO 2013 114021 décrit une méthode dans laquelle 30 une estimation d'une erreur sur l'estimation de la position du rotor est mise en oeuvre. Cette erreur est régulée vers la valeur zéro au moyen d'un correcteur. La sortie de ce correcteur fourni une estimation de la vitesse de rotation du rotor qui est intégrée pour obtenir la position angulaire du rotor. Pour déterminer une erreur d'estimation, la mesure des courants 35 juste après l'injection d'un signal à hautes fréquences est comparée avec une valeur de courant. Cette solution a pour inconvénient de n'être 3034590 3 adaptée que pour les machines à rotors saillants, mais pas pour les machines à rotors lisses. Pour les machines à rotor lisse, il est nécessaire de placer le circuit magnétique dans un état de saturation en ajoutant un courant continu suffisamment élevé. 5 D'autres solutions ont été proposées, dans lesquelles une commande à modulation de largeur d'impulsion est stoppée après que plusieurs périodes se soient écoulées et un signal à hautes fréquences est ensuite injecté dans la machine. Un rapport entre la tension injectée et la variation d'un courant mesuré est calculé pour en déduire une inductance 10 et enfin la position. On peut noter que ces méthodes ont pour inconvénient de stopper la commande et de produire des à-coups de couple avec une position estimée du rotor qui évolue de manière discontinue. Les méthodes n'utilisant pas de capteur mécanique dans 15 lesquelles le vecteur FEM est estimé requièrent une connaissance du modèle de la machine. Ces méthodes ne sont donc pas suffisamment précises puisqu'elles sont dépendantes d'incertitudes et de variations paramétriques. Ces méthodes ont également pour inconvénient de n'être adaptées qu'aux vitesses de rotation moyennes ou élevées. En outre, l'injection de pulsation de tensions de certaines solutions rend nécessaire l'implémentation d'algorithmes complexes. Enfin, ces méthodes, si elles ne sont pas associées à l'utilisation de capteur à effet Hall, nécessitent un processus d'initialisation pour faire tourner le rotor dans le bon sens au démarrage, et les problèmes liés à cette initialisation peuvent endommager la machine lorsque la machine démarre dans le mauvais sens. L'invention vise notamment à pallier certains de ces inconvénients, et elle vise en particulier à proposer une architecture simple, qui ne nécessite pas de resolver ou d'encodeur, et qui réduit l'apparition 30 d'harmoniques. Objet et résumé de l'invention 35 3034590 4 La présente invention répond à ce besoin en proposant un procédé de commande d'une machine synchrone à aimant permanent comprenant un rotor et un stator alimenté par un onduleur comportant une pluralité de bras, chaque bras étant muni d'au moins un interrupteur 5 et chaque bras étant associé à un secteur angulaire du rotor. Selon une caractéristique générale, le procédé comprend les étapes dans lesquelles : - on détermine l'entrée du rotor dans un premier secteur et l'on ferme l'interrupteur du bras associé au premier secteur, et - on détermine un instant où le rotor a parcouru la moitié dudit premier 10 secteur et à partir de cet instant on commande avec un signal à modulation de largeur d'impulsion l'interrupteur du bras associé à un deuxième secteur qui est le prochain secteur parcouru par le rotor. En commandant l'interrupteur du prochain secteur avec une commande de type modulation de largeur d'impulsion, on obtient une 15 commande qui se rapproche d'un sinus, ce qui correspond à la FEM de la machine. Ceci réduit les ondulations du couple, et les pertes joules au sein de la machine. En outre, les dispositifs utilisés pour détecter la position du rotor 20 dans un secteur peuvent être des capteurs à effet Hall, ce qui permet d'obtenir un système peu volumineux et peu couteux. Ceci est dû au fait que pour ce type de commande, il n'est pas nécessaire d'avoir une connaissance précise de la position du rotor au sein d'un secteur. En outre, on obtient une commande dont la complexité est 25 comparable à celle d'une commande trapézoïdale, et qui est bien inférieure à celle d'une commande vectorielle. Ceci permet d'utiliser des composants plus simples et moins onéreux pour élaborer les commandes, puisque de très faibles ressources de calcul sont requises. Selon un mode particulier de mise en oeuvre, on détermine en outre l'entrée du rotor dans le deuxième secteur, et l'on commande avec un signal à modulation de largeur d'impulsion l'interrupteur du bras associé au premier secteur jusqu'à la sortie du rotor du deuxième secteur. Selon un mode particulier de mise en oeuvre, l'onduleur est un onduleur triphasé comprenant trois bras supérieurs et trois bras inférieurs, le rotor parcourant six secteurs chacun associé à un bras supérieur ou à un bras inférieur. 3034590 5 Selon un mode particulier de mise en oeuvre, on détermine l'entrée du rotor dans chaque secteur en utilisant une pluralité de capteurs à effet Hall. En variante et selon un mode particulier de mise en oeuvre, on 5 détermine l'entrée du rotor dans chaque secteur en estimant la position du rotor. Selon un mode particulier de mise en oeuvre, la détermination dudit instant où le rotor a parcouru la moitié dudit premier secteur est une estimation de cet instant à partir de la vitesse de rotation du rotor. 10 Ce mode particulier de mise en oeuvre permet par exemple de n'utiliser que trois capteurs définissant six secteurs, ce qui est avantageux. On peut noter que l'invention s'applique également pour les systèmes sans capteurs dans lesquels une estimation complète de la position du rotor est mise en oeuvre. 15 Pour estimer l'instant, il convient de déterminer la durée requise pour que le rotor parcours cette moitié de secteur, ceci est possible puisque l'instant correspondant à l'entrée du rotor dans un secteur est connu (soit en utilisant trois capteurs, soit en estimant la position), et la vitesse de rotation du rotor est également connue. On peut considérer ici 20 que la vitesse de rotation du rotor est stable. Selon un mode de mise en oeuvre particulier, on détermine ledit instant où le rotor a parcouru la moitié dudit premier secteur en utilisant au moins un capteur à effet Hall supplémentaire. A titre d'exemple, ceci peut être fait en utilisant un total de six 25 capteurs à effet Hall, trois de ces capteurs étant des capteurs à effet Hall supplémentaires. L'invention propose également un dispositif de commande d'une machine synchrone à aimant permanent, la machine synchrone à aimant permanent comprenant un rotor et un stator alimenté par un onduleur 30 comportant une pluralité de bras, chaque bras étant muni d'au moins un interrupteur et chaque bras étant associé à un secteur angulaire du rotor. Selon une caractéristique générale, le dispositif comprend : - un module de détermination de l'entrée du rotor dans un premier secteur, 35 - un module de fermeture de l'interrupteur du bras associé au premier secteur dans lequel est situé le rotor, 3034590 6 - un module de détermination d'un instant où le rotor a parcouru la moitié du premier secteur, - un module de commande de l'interrupteur du bras associé à un deuxième secteur qui est le secteur qui suit le premier secteur, pour 5 commander cet interrupteur en utilisant un signal à modulation de largeur d'impulsion. Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif comprend un module de détermination de l'entrée du rotor dans le deuxième secteur, et un module de commande de l'interrupteur du bras associé au premier 10 secteur avec un signal à modulation de largeur d'impulsion jusqu'à la sortie du rotor du deuxième secteur. Selon un mode de réalisation particulier, l'onduleur est un onduleur triphasé comprenant trois bras supérieurs et trois bras inférieurs, le rotor parcourant six secteurs chacun associé à un bras supérieur ou à 15 un bras inférieur. Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif comporte une pluralité de capteurs à effet hall configurés pour déterminer l'entrée du rotor dans un secteur. En variante et selon un mode de mise en oeuvre particulier, le 20 module de détermination de l'entrée du rotor dans un premier secteur est configuré pour estimer cet instant Selon un mode de réalisation particulier, le module de détermination d'un instant où le rotor a parcouru la moitié du premier secteur est configuré pour estimer cet instant à partir de la vitesse de 25 rotation du rotor. Selon un mode de réalisation particulier, le module de détermination d'un instant où le rotor a parcouru la moitié du premier secteur comporte au moins un capteur à effet hall supplémentaire. L'invention propose également un système comportant une 30 machine synchrone à aimant permanent, la machine synchrone à aimant permanent comprenant un rotor et un stator alimenté par un onduleur comportant une pluralité de bras, chaque bras étant muni d'au moins un interrupteur et chaque bras étant associé à un secteur angulaire du rotor, comprenant en outre un dispositif de commande tel que défini ci-avant. 35 3034590 7 Brève description des dessins 5 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : 10 - la figure 1 représente de façon schématique un système selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est un schéma d'une machine synchrone à aimants permanents comportant des capteurs à effet Hall, - la figure 3 est un chronogramme illustrant les différentes commandes 15 des interrupteurs d'un onduleur. - les figures 4A et 4B sont des représentations des commandes dans le plan a/p, - les figures 5A et 5B sont des chronogrammes de courants statoriques, - les figures 6A et 6B sont des spectres des harmoniques des courants 20 statoriques. Description détaillée d'un mode de réalisation 25 Sur la figure 1, on a représenté un système comportant une machine synchrone à aimants permanents 1, comprenant un rotor et un stator muni de trois phases. La machine synchrone à aimants permanents 1 est commandé par 30 un onduleur 2. L'onduleur 2 est ici un onduleur triphasé comportant trois bras supérieurs et trois bras inférieurs. Chaque bras de l'onduleur comporte au moins un interrupteur, par exemple un transistor bipolaire à grille isolée. A chacun des bras de l'onduleur, un secteur angulaire du rotor est associé, et le rotor parcourt donc six secteurs. 35 L'onduleur 2 est alimenté à travers un filtre d'entrée 3 comportant un condensateur 3a, une bobine 3b, et une résistance 3c. L'invention 3034590 8 permet d'utiliser des filtres ayant des dimensions réduites. Cet avantage découle de la réduction des courants harmoniques et inter-harmoniques basse fréquences. Le filtre 3 est placé entre l'onduleur 2 et une source d'alimentation 5 électrique en courant continu 4. Pour commander les interrupteurs de l'onduleur 2, un dispositif de commande D est connecté à cet onduleur 2. Le dispositif D peut être implémenté au sein d'un calculateur embarqué, par exemple au sein d'un microcircuit programmable du type FPGA. 10 En particulier, le dispositif D peut comporter : -un module de détermination de l'entrée du rotor dans un premier secteur, par exemple en utilisant des capteurs à effet Hall, - un module de fermeture de l'interrupteur du bras associé au premier secteur dans lequel est situé le rotor, 15 - un module de détermination d'un instant où le rotor a parcouru la moitié du premier secteur, par exemple par estimation, et - un module de commande de l'interrupteur du bras associé à un deuxième secteur qui est le secteur qui suit le premier secteur, pour commander cet interrupteur en utilisant un signal à modulation de largeur 20 d'impulsion. Le dispositif D peut également communiquer avec et utiliser un certain nombre de capteurs, en particulier des capteurs à effet Hall disposés au sein du stator de la machine synchrone à aimant permanents 1. 25 La figure 2 est un schéma d'une machine synchrone à aimants permanents comportant un rotor ayant des pôles S et N et un stator comportant des enroulements associés chacun à un bras de l'onduleur. Plus précisément, pour une première phase, le stator comporte un enroulement pour un bras supérieur noté a+, un enroulement pour un 30 bras inférieur noté a-, pour une deuxième phase, le stator comporte un enroulement pour un bras supérieur noté b+, un enroulement pour un bras inférieur noté b-, pour une troisième phase, le stator comporte un enroulement pour un bras supérieur noté c+, un enroulement pour un bras inférieur noté c-. 35 Les secteurs angulaires du rotor sont définis par les six enroulements du stator, 3034590 9 Pour déterminer dans quel secteur angulaire le rotor est présent, des capteurs à effet Hall 5a, 5b et 5c sont utilisés, disposés chacun à 1200 l'un de l'autre. Ces capteurs 5a à 5c peuvent déterminer l'entrée du rotor dans un secteur. 5 Pour déterminer l'instant où le rotor a parcouru la moitié d'un secteur, une estimation peut être mise en oeuvre sur la base de la vitesse du rotor. En notant 52 la vitesse de rotation du rotor, au moment ou un changement de secteur est détecté, et en considérant que la vitesse de rotation est stable ou que la machine est en régime permanent, 10 l'estimation de la durée requise pour parcourir la moitié d'un secteur est donnée par : At = n/6 Avec p le nombre de paires de pôles du moteur. En notant ti l'instant où le rotor est entré dans un secteur, on peut estimer l'instant t112 où le rotor a parcouru la moitié du secteur par la 15 formule suivante : t112 = ti + àt C'est à partir de cet instant t112 que le bras correspondant au prochain secteur va être commandé par un signal à modulation de largeur d'impulsion. De manière alternative, des capteurs à effet Hall supplémentaires 20 6a, 6b et 6c peuvent être disposés sur le rotor entre les capteurs 5a à 5c. Ces capteurs peuvent être configurés pour déterminer l'entrée du rotor dans un secteur. La figure 3 est un chronogramme illustrant les différentes commandes des interrupteurs, notés a+, b+, c+, a-, b- et c-, 25 conformément aux notations utilisées en référence à la figure 2. Sur cette figure, on peut voir qu'à partir de l'origine du repère, l'interrupteur du bras a+ est fermé, le rotor étant situé dans le secteur angulaire correspondant. L'interrupteur du bras b-, qui correspond au précédent secteur parcouru par le rotor, est commandé par un signal à 30 modulation de largeur d'impulsion. A l'instant H, correspondant au moment où le rotor a parcouru la moitié du secteur correspondant à l'interrupteur du bras a+, on 3034 5 90 10 commande l'interrupteur du bras c- avec un signal à modulation de largeur d'impulsion. A l'instant 12, on détecte que le rotor entre dans un nouveau secteur correspondant au bras c-, on peut donc fermer l'interrupteur de ce 5 bras. L'interrupteur du bras a+ correspondant au secteur précédemment parcouru est alors commandé par un signal à modulation de largeur d'impulsion. L'interrupteur du bras b- est ouvert. A l'instant 13, on détecte que le rotor a parcouru la moitié du secteur correspondant à l'interrupteur du bras c-, et l'on commande 10 l'interrupteur du bras b+ avec un signal à modulation de largeur d'impulsion. A l'instant 14, l'interrupteur du bras a+ est ouvert, l'interrupteur du bras b+ est fermé, et l'interrupteur du bras c- est commandé avec un signal à modulation de largeur d'impulsion. 15 Les commandes des différents interrupteurs sont présentées dans le tableau suivant qui présente tous les cas de commande en fonction de la position angulaire du rotor : Etats des capteurs à effet Hall : Commandes : Secteur Capteur 1 Capteur 2 Capteur 2 a+ b+ C-i- a- b- c- 1 1 0 0 0 MLI 0 1 0 0 1 1 0 0 0 MLI MLI 1 0 0 2 1 0 1 0 0 1 MLI 0 0 2 1 0 1 0 0 1 MLI MLI 0 3 0 0 1 0 0 MLI 0 1 0 3 0 0 1 MLI 0 MLI 0 1 0 4 0 1 1 1 0 0 0 MLI 0 4 0 1 1 1 0 0 0 MLI MLI 5 0 1 0 MLI 0 0 0 0 1 5 0 1 0 MLI MLI 0 0 0 1 6 1 1 0 0 1 0 0 0 MLI 6 1 1 0 0 1 0 MLI 0 MLI Dans ce tableau, pour les capteurs, 1 signifie que le capteur 20 mesure un flux magnétique provenant de l'aimant du rotor et qui est 3034590 11 positif, et 0 signifie qu'un flux négatif est mesuré. Pour les bras, 0 signifie que l'interrupteur du bras est ouvert, 1 qu'il est fermé, et MLI qu'il est commandé par un signal à modulation de largeur d'impulsion. Dans l'exemple du tableau, les capteurs 1, 2, et 3 sont placés aux 5 mêmes positions angulaires que les capteurs 5a à 5c décrits en se référant à la figure 2. Les relations entre l'angle électrique 0 du rotor (dont la valeur 0 correspond à la phase a+), les états des capteurs, et l'angle du vecteur appliqué sont décrites dans le tableau suivant : 10 Secteur Capteur 1 Capteur 2 Capteur 3 Angle du vecteur appliqué 7T n 1 1 0 0 5n 6 3 6 n n 1 1 0 0 7r n 2n 2 1 0 1 7n 6 2n 571- 2 1 0 1 4n 3 57r 3 0 0 1 3n -6 REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'une machine synchrone à aimant permanent comprenant un rotor et un stator alimenté par un onduleur (2) comportant une pluralité de bras (a+, a-, b+, b-, c+, c-) chaque bras étant muni d'au moins un interrupteur et chaque bras étant associé à un secteur angulaire du rotor, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes 10 dans lesquelles : - on détermine l'entrée du rotor dans un premier secteur et l'on ferme l'interrupteur du bras associé au premier secteur, et - on détermine un instant (I1, t112) où le rotor a parcouru la moitié dudit premier secteur et à partir de cet instant on commande avec un signal à 15 modulation de largeur d'impulsion l'interrupteur du bras associé à un deuxième secteur qui est le prochain secteur parcouru par le rotor. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine en outre l'entrée du rotor dans le deuxième secteur (I2), et l'on commande avec un signal à modulation de largeur d'impulsion l'interrupteur du bras 20 associé au premier secteur jusqu'à la sortie du rotor du deuxième secteur. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'onduleur est un onduleur triphasé comprenant trois bras supérieurs (a+, b+, c+) et trois bras inférieurs (a-, b-, c-), le rotor parcourant six secteurs chacun associé à un bras supérieur ou à un bras inférieur. 25 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel on détermine l'entrée du rotor dans chaque secteur en utilisant une pluralité de capteurs à effet Hall (5a, 5b, 5c). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel on détermine l'entrée du rotor dans chaque secteur en estimant la position du 30 rotor. 3034 5 90 15 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la détermination dudit instant (I1, t112) où le rotor a parcouru la moitié dudit premier secteur est une estimation de cet instant à partir de la vitesse de rotation du rotor. 7. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on détermine ledit instant (I1, t1/2) où le rotor a parcouru la moitié dudit premier secteur en utilisant au moins un capteur à effet Hall supplémentaire (6a, 6b, 6c). 8. Dispositif de commande d'une machine synchrone à aimant permanent, la machine synchrone à aimant permanent comprenant un rotor et un stator alimenté par un onduleur (2) comportant une pluralité de bras (a+, a-, b+, b-, c+, c-), chaque bras étant muni d'au moins un interrupteur et chaque bras étant associé à un secteur angulaire du rotor, caractérisé en ce qu'il comprend : - un module de détermination de l'entrée du rotor dans un premier 15 secteur, - un module de fermeture de l'interrupteur du bras associé au premier secteur dans lequel est situé le rotor, - un module de détermination d'un instant (I1, t12) où le rotor a parcouru la moitié du premier secteur, 20 - un module de commande de l'interrupteur du bras associé à un deuxième secteur qui est le secteur qui suit le premier secteur, pour commander cet interrupteur en utilisant un signal à modulation de largeur d'impulsion. 9. Dispositif selon la revendication 8, comprenant un module de 25 détermination de l'entrée du rotor dans le deuxième secteur, et un module de commande de l'interrupteur du bras associé au premier secteur avec un signal à modulation de largeur d'impulsion jusqu'à la sortie du rotor du deuxième secteur. 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, dans lequel l'onduleur 30 est un onduleur triphasé comprenant trois bras supérieurs et trois bras 3034590 16 inférieurs, le rotor parcourant six secteurs chacun associé à un bras supérieur ou à un bras inférieur. 11. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, comportant une pluralité de capteurs à effet hall conflgurés pour déterminer l'entrée du 5 rotor dans un secteur. 12. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, dans lequel le module de détermination de l'entrée du rotor dans un premier secteur est configuré pour estimer cet instant. 13. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 12, dans lequel le 10 module de détermination d'un instant où le rotor a parcouru la moitié du premier secteur est conflguré pour estimer cet instant à partir de la vitesse de rotation du rotor. 14. Dispositif selon la revendication 11, dans lequel le module de détermination d'un instant où le rotor a parcouru la moitié du premier 15 secteur comporte au moins un capteur à effet hall supplémentaire. 15. Système comportant une machine synchrone à aimant permanent, la machine synchrone à aimant permanent comprenant un rotor et un stator alimenté par un onduleur comportant une pluralité de bras, chaque bras étant muni d'au moins un interrupteur et chaque bras 20 étant associé à un secteur angulaire du rotor, comprenant en outre un dispositif de commande selon l'une des revendications 8 à 14.