Brevet FR3042332A1 — publié le 20170414

Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de commande mis en oeuvre dans une unité de traitement associée à un convertisseur de tension employé pour commander un moteur électrique synchrone. Ce procédé de commande vise notamment à déterminer les valeurs d'inductance dudit moteur électrique. L'invention s'applique pour un moteur électrique synchrone à réluctance variable. Etat de la technique Un moteur électrique est commandé en vitesse par un variateur de vitesse. Le variateur de vitesse comporte des phases d'entrée pour se connecter à un réseau d'alimentation électrique et des phases de sortie pour se connecter au moteur électrique. Il comporte classiquement un étage redresseur pour redresser la tension du réseau appliquée en entrée et un étage onduleur pour générer des tensions variables sur les phases de sortie à destination du moteur électrique. A cause de la saturation magnétique, les valeurs d'inductance d'un moteur synchrone à réluctance variable varient en fonction du courant injecté dans le stator, appelé courant statorique. La plupart du temps, les valeurs d'inductance du moteur sont cependant choisies constantes, ce qui génère une limite dans la performance du contrôle du moteur employé. Il existe tout de même des méthodes pour déterminer les valeurs 25 d'inductance du moteur. La demande de brevet EP1641114A1 propose une telle méthode employant un capteur de position positionné dans le moteur. La demande de brevet EP2453248A1 propose une autre méthode d'identification des inductances du moteur. Cette méthode est basée sur l'injection d'impulsions de tension au moteur à l'arrêt. Le flux au stator est 30 obtenu en intégrant la différence entre la tension totale aux bornes du stator et la tension au niveau de la résistance du moteur. Chaque valeur d'inductance du moteur est obtenue en dérivant le flux par rapport au courant. Cette méthode présente plusieurs inconvénients, notamment de nécessiter la connaissance 3042332 2 parfaite de la résistance du moteur et d'obtenir des mesures précises de la tension appliquée au moteur. Le but de l'invention est de proposer un procédé de commande mis en 5 oeuvre pour déterminer les valeurs d'inductance d'un moteur synchrone à réluctance variable, ledit procédé étant simple, fiable et ne nécessitant ni l'emploi d'un capteur de position, ni la connaissance précise de la résistance du moteur ou de la tension appliquée au moteur. 10 Exposé de l'invention Ce but est atteint par un procédé de commande d'un moteur électrique synchrone à réluctance variable, mis en oeuvre dans une unité de traitement, ladite unité de traitement étant associée à un convertisseur de puissance connecté par des phases de sortie audit moteur électrique et agencé pour 15 exécuter une loi de commande en vue d'appliquer des tensions variables audit moteur électrique, le procédé comportant une phase d'identification d'une valeur d'inductance de flux dudit moteur électrique, cette phase d'identification comportant : Une étape de génération d'un courant de référence en entrée de 20 ladite loi de commande, ledit courant de référence prenant successivement plusieurs valeurs suivant un profil prédéterminé, Pour chaque valeur de courant de référence, une étape de détermination d'une valeur de courant correspondant à des courants mesurés sur les phases de sortie du moteur, Pour chaque valeur de courant de flux de référence, une étape de détermination par un module d'identification d'une valeur d'inductance en fonction d'une valeur de courant de référence appliquée en entrée, de la valeur correspondante de courant déterminée à partir des courants mesurés sur les phases de sortie et d'une valeur d'inductance prédéterminée ou variable, Pour chaque valeur de courant déterminé à partir des courants mesurés sur les trois phases de sortie, mémorisation de la valeur 3042332 3 d'inductance correspondante déterminée lors de l'étape de détermination. Selon une particularité, le courant de référence suit un profil variable en partant d'une valeur initiale définie minimale ou maximale jusqu'à une valeur 5 finale, respectivement maximale ou minimale. Selon une première variante de réalisation, le courant de référence prend plusieurs valeurs successives en suivant un profil linéaire. Selon une deuxième variante de réalisation, le courant de référence prend plusieurs valeurs successives en suivant un profil en escalier à plusieurs 10 échelons, chaque valeur du courant de référence suivant un échelon dudit profil. Selon une autre particularité, le procédé comporte une phase d'exploitation qui suit la phase d'identification, ladite phase d'exploitation consiste à exploiter chaque valeur d'inductance mémorisée lors de la phase 15 d'identification pour déterminer un flux de référence à appliquer au moteur. L'invention concerne également un système de commande d'un moteur électrique synchrone à réluctance variable, comprenant une unité de traitement, ladite unité de traitement étant associée à un convertisseur de puissance connecté par des phases de sortie audit moteur électrique et agencé pour 20 appliquer des tensions variables audit moteur électrique en exécutant une loi de commande, caractérisé en ce que la loi de commande comporte : Un module de génération d'une trajectoire d'un courant de référence, Un module de détermination, pour chaque valeur du courant de 25 référence, d'une valeur de courant déterminée à partir de courants mesurés sur les phases de sortie, Un module d'identification de chaque valeur d'inductance du moteur électrique à partir d'une valeur de courant de référence, de la valeur de courant correspondante déterminée à partir des courants 30 mesurés sur les phases de sortie et d'une valeur d'inductance prédéterminée ou variable, 3042332 4 Pour chaque valeur de courant déterminé à partir des courants mesurés sur les trois phases de sortie, un module de mémorisation de la valeur d'inductance correspondante déterminée. Selon une particularité du système, le module de génération du courant 5 de référence est agencé pour lui faire suivre un profil variable en partant initialement d'une valeur définie minimale ou maximale jusqu'à une valeur finale, respectivement maximale ou minimale. Selon une variante de réalisation, le courant de référence prend plusieurs valeurs successives en suivant un profil linéaire. 10 Selon une autre particularité, le courant de référence prend plusieurs valeurs successives en suivant un profil en escalier à plusieurs échelons, chaque valeur du courant de référence suivant un échelon dudit profil. 15 Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels: la figure 1 illustre, de manière schématique, le principe de fonctionnement de l'invention, 20 les figures 2A et 2B montrent des courbes d'évolution de l'inductance Ld et du flux cPd en fonction du courant id, les figures 3A et 3B représentent deux profils distincts suivis par le courant de référence pour la mise en oeuvre du procédé de commande de l'invention, 25 la figure 4 montre des chronogrammes illustrant le principe d'adaptation en temps réel de l'inductance employée dans la loi de commande du moteur. 30 Description détaillée d'au moins un mode de réalisation L'invention concerne un procédé de commande mis en oeuvre dans une unité de traitement associée à un convertisseur de puissance. Le procédé de commande est adapté spécifiquement pour la commande d'un moteur 3042332 5 électrique M synchrone à réluctance variable. L'unité de traitement et le convertisseur de tension sont par exemple réunis dans un variateur de vitesse destiné à commander ledit moteur électrique M. L'unité de traitement comporte au moins un microprocesseur et une mémoire. 5 De manière connue, le convertisseur de puissance comporte au moins un étage onduleur INV connecté par plusieurs phases de sortie (trois phases a, b, c sur la figure 1) au moteur électrique M. L'étage onduleur comporte plusieurs transistors commandés pour appliquer des tensions variables sur les phases de sortie. La commande des transistors est réalisée par l'exécution 10 d'une loi de commande dans l'unité de traitement. De manière connue, une loi de commande en vitesse comporte les éléments suivants : Un courant de référence id sur l'axe d du repère d, q lié au rotor du moteur est appliqué en entrée d'un module Ml. 15 Sur la base du courant de référence et d'une valeur d'inductance Ld, le module M1 détermine un flux de référence od sur l'axe d. Sur la base de la vitesse de référence (7) et d'une estimation de la vitesse réelle du moteur, un module M2 détermine un courant de référence iq sur l'axe q. 20 Sur la base du courant de référence iq , du flux de référence od, du courant id et du courant iq représentatifs des courants mesurés sur chaque phase de sortie, un module M3 détermine les tensions ud, uq à appliquer au moteur M. A partir des tensions ud , uq , un module M4 applique une 25 transformation de Park pour déterminer les tensions ut, , ub , u, à appliquer sur chaque phase de sortie. Un module M5 est également agencé pour estimer la vitesse (i) du moteur qui est injectée dans le module M2. 3042332 6 Un module M6 effectue une transformation de Park pour transformer les courants ia, ib, ic mesurés sur chaque phase de sortie en courants id, iq à injecter en entrée du module M3 et du module M5. 5 Le procédé de l'invention consiste à obtenir une courbe exprimant les valeurs d'inductance du moteur électrique en fonction du courant id . La démonstration suivante explique en quoi l'inductance du moteur varie en fonction de ce courant id . Le modèle général d'un moteur électrique synchrone à réluctance 10 variable dans le repère d,q lié au rotor du moteur s'exprime par les relations suivantes : { Cl Fit (I) cl = Ltd - Ri d + coda Cl j m ilt (I) q = 'lig - Ria - (,"Pd -- = n ( n clt 2 P `i q 'Gb d - iclOR) - TL P Dans lesquelles : 15 - ( (I) q c I) correspond au flux électrique, VI) - () correspond au courant du moteur, ia u (ud \ - correspond à la tension du moteur, a) - R correspond à la résistance statorique du moteur, - JM et np sont les paramètres mécaniques du moteur, 20 - TL est le couple de charge, - co est la vitesse du moteur. La saturation magnétique sur l'axe d est représentée par la relation entre le flux et le courant : 25 (Pd = (Kid) (1) 3042332 7 Dans laquelle cp est une fonction du courant id. Par similitude au modèle linéaire et sans perte de généralité, la fonction cf) est écrite comme une fonction du courant d'axe d sous la forme suivante : 5 cp(id) = Ld(id) X id (2) Dans laquelle Ld représente l'inductance du moteur (par analogie au modèle linéaire) en fonction du courant d'axe d. Les figures 2A et 2B montrent l'évolution de l'inductance Ld et du flux 10 od en fonction du courant id. Le procédé de commande de l'invention vise à reconstituer les courbes représentées sur les figures 2A et 2B de manière à pouvoir employer les valeurs d'inductance déterminées pendant le fonctionnement normal du 15 variateur. Le procédé de commande de l'invention comporte une phase d'identification mise en oeuvre pour identifier ces valeurs d'inductance. La figure 1 représente la loi de commande du moteur incluant les blocs 20 qui permettent de mettre en oeuvre cette phase d'identification. Une fois la phase d'identification terminée, la loi de commande du moteur n'exécute plus les modules nécessaires à cette phase d'identification. 25 Phase d'identification La phase d'identification est mise en oeuvre dans la loi de commande en dehors du fonctionnement normal du moteur et permet de déterminer la courbe de saturation décrite ci-dessus. Cette phase d'identification est mise en oeuvre initialement, par exemple au démarrage du variateur de vitesse, avant la 30 phase d'exploitation et de contrôle du moteur. Dans la suite de la description, nous emploierons les notations suivantes pour identifier les différentes inductances : 3042332 8 - L'inductance réelle du moteur : Ld(id) - L'inductance utilisée dans la loi de commande du moteur : Ld - L'inductance estimée par la fonction d'identification : LEdsT - L'inductance utilisée pour initialiser la fonction d'identification : Ld 5 La phase d'identification est mise en oeuvre grâce à un module M7 spécifique inséré à la loi de commande. En référence à la figure 1, ce module M7 prend en entrée le courant de référence id, le courant mesuré id, 10 l'inductance utilisée pour initialiser la fonction d'identification L(,)/ et donne en sortie l'inductance utilisée par la loi de commande Ld par le module M1 et l'inductance estimée LEF. Pour balayer toute la courbe de saturation décrite ci-dessus, il faut faire varier le flux de référence (T)d. Ainsi, pour chaque valeur de (id ,(T)d) on obtient 15 un point sur la courbe de saturation. La tension ug fournie par la loi de commande s'écrit à l'équilibre avec les grandeurs moteurs comme suit : ug = Ria + coud En soustrayant le terme résistif et en utilisant la connaissance de la vitesse, nous obtenons la relation suivante : 'Pd = (Kid) = Ld(id) id - (Pd 20 où le flux de référence est ckd = Ld id et obtenu en sortie du module Ml. On obtient finalement : ..\ Ld id 49(id) (2) 25 Ld(id) = = id id On comprend ainsi à partir de l'équation (3) ci-dessus que pour chaque valeur du courant mesuré id, on obtient une valeur d'inductance réelle Ld(id). 3042332 9 Un module M8 est employé pour générer la trajectoire du courant de référence id et le courant de référence id ainsi généré est injecté dans le module M1 décrit ci-dessus. 5 Pour parcourir toute la courbe de saturation, la trajectoire de courant de référence id comporte les caractéristiques suivantes : - La valeur du courant de référence id est initialisée à une valeur d qui permet de stabiliser la vitesse. - Après la stabilisation de la vitesse, le courant de référence id est ramené 10 à une valeur minimale id tin - pour parcourir la courbe de saturation, le courant de référence id suit une trajectoire allant de la valeur minimale rcn, in à une valeur maximale ilcni ax Le passage de la valeur minimale ilcni in à la valeur maximale id x peut 15 se faire par plusieurs méthodes possibles. Cependant, pour que le contrôle reste stable pendant la phase d'identification, il faut que la différence entre i d et id reste compatible avec la stabilité du système contrôlé. Ainsi, tout type de trajectoire qui permet de maintenir la différence Aid = id - id, sous un seuil correspondant à un fonctionnement stable du moteur peut être employé. Par 20 exemple, le courant de référence peut suivre l'une des deux trajectoires suivantes : - trajectoire linéaire avec faible pente (figure 3A), ou - trajectoire en escalier (figure 3B). 25 Selon l'invention, la détermination de l'inductance effectuée par le module M7 est réalisable de deux manières distinctes : - par calcul direct, ou - par adaptation en temps réel. 30 - Par calcul direct La variation du courant de référence id permet de parcourir la courbe de saturation. Pour chaque valeur du courant de référence id on obtient une 3042332 10 valeur de courant id mesurée. Ainsi l'inductance estimée LEr du moteur qui correspond à ce courant id est obtenue comme suivant à partir de l'équation (3) définie ci-dessus : , EsT _ (; d) - y. id 5 où Ld est l'inductance utilisée dans le contrôle qui est constante dans ce cas et vaut Ld = Ld. Pour chaque niveau du courant de référence, l'inductance LEdsT obtenue par le calcul direct est enregistrée dans la mémoire pour être réemployée 10 ultérieurement lors de la phase d'exploitation et de contrôle du moteur. - Par adaptation en temps réel : Dans ce cas l'inductance Ld n'est plus considérée comme constante mais variable en fonction de la différence de courant Aid = id - id. Ainsi, 15 l'inductance est obtenue en temps réel dans le module M7 en utilisant un algorithme d'estimation qui prend en entrée Aid et donne en sortie Ld. L'adaptation de l'inductance utilisée dans la loi de commande du moteur lors de la phase d'identification se fait en temps réel en fonction de l'écart du courant Aid mesuré. 20 La loi d'évolution de Ld est la suivante : cdd = - ki f Aid (4) dt On comprend de cette loi d'évolution que lorsque la différence de courant Aid = id - id devient nulle, l'inductance Ld a convergé et est constante 25 et l'inductance estimée LEdsT est enregistrée avec la valeur de Ld obtenue à l'issue de la convergence. On a alors : LE? T = d La figure 4 illustre le principe d'adaptation en temps réel de l'inductance. Sur cette figure, on peut voir que, à chaque fois que le courant 3042332 11 mesuré id a convergé vers le courant de référence id et donc que la différence entre ces deux courants est nulle, l'inductance Ld employée dans la loi de commande du moteur a convergé vers une valeur déterminée. Chaque valeur d'inductance obtenue après convergence est alors affectée à la valeur de 5 l'inductance estimée et enregistrée ainsi dans la mémoire par un module de mémorisation M9. Sur la figure 4, trois valeurs distinctes Ledstl Ledst2 et Ledst3 sont enregistrées en mémoire. La démonstration suivante permet de montrer que la valeur de 10 l'inductance Ld converge bien vers l'inductance réelle Ld(id) lorsque la différence de courant Aid = id - id converge vers zéro pour un courant de référence id fixé. L'équation (3) est réarrangée comme suivant : 15 d L = q(id) Id (5) Nous considérons id constant et nous dérivons l'équation (5) par rapport au temps : cir'd 1 X citP X did dt id did dt (6) dg) Au premier ordre, - est approximé comme suivant : did dcp Ltd(id) =(id) > 0 d Replaçons l'équation (4) dans l'équation (6) on obtient au premier ordre : 1 did 1 Mid 1 -kpAid - ki Aid = - x Ld x _., = x Ltd x - + x Ld x did f td cl ut id dt id d dt Finalement, on obtient : d2 Aid (tdkp)dAid (tdki) d2 id Aid = dt2 Ld dt Ld dt2 d d 20 25 3042332 12 En choisissant kp > 0, ki > 0 et id > 0 et sachant que Ld > 0 alors le système ci-dessus est stable. Ainsi Aid converge vers 0 et Ld vers Ld. Par exemple, les gains kp et ki sont choisis comme suit : 0 0 kp = x 2ficol , ki = 1--d ' 2 td ld 5 Où fi est le coefficient d'amortissement et coi = 27i-fi avec fila bande passante de l'estimateur de l'inductance; Ld est l'inductance utilisée pour initialiser la fonction d'identification. La procédure d'estimation d'inductance proposée permet ainsi d'avoir 10 une courbe de saturation de l'inductance Ld en fonction du courant id qui couvre toute la plage de fonctionnement du moteur (figure 2). Cette courbe est implémentée dans le drive en fonction du courant id et elle est prise en compte en temps réel pendant le contrôle du moteur. La solution de l'invention permet en outre d'améliorer les performances 15 du moteur, notamment de : o Augmenter le couple maximale, o Réduire la consommation d'énergie électrique, o Améliorer la stabilité du contrôle du moteur. 20 REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un moteur électrique (M) synchrone à réluctance variable, mis en oeuvre dans une unité de traitement, ladite unité de traitement étant associée à un convertisseur de puissance connecté par des phases de sortie (a, b, c) audit moteur électrique (M) et agencé pour exécuter une loi de commande en vue d'appliquer des tensions variables audit moteur électrique, caractérisé en ce qu'il comporte une phase d'identification d'une valeur d'inductance de flux dudit moteur électrique et en ce que cette phase d'identification comporte : Une étape de génération d'un courant de référence (id) en entrée de ladite loi de commande, ledit courant de référence (id) prenant successivement plusieurs valeurs suivant un profil prédéterminé, Pour chaque valeur de courant de référence (id), une étape de détermination d'une valeur de courant (id) correspondant à des courants mesurés sur les phases de sortie du moteur, Pour chaque valeur de courant de flux de référence (id), une étape de détermination par un module d'identification (M7) d'une valeur d'inductance (Ld T) en fonction d'une valeur de courant de référence appliquée en entrée, de la valeur correspondante de courant déterminée à partir des courants mesurés sur les phases de sortie et d'une valeur d'inductance (Ld ) prédéterminée ou variable, Pour chaque valeur de courant (id) déterminé à partir des courants mesurés sur les trois phases de sortie, mémorisation de la valeur d'inductance (Ld T) correspondante déterminée lors de l'étape de détermination. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant de référence (id) suit un profil variable en partant d'une valeur initiale définie (en) minimale ou maximale jusqu'à une valeur finale (id "), respectivement maximale ou minimale. 3042332 14 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le courant de référence (id) prend plusieurs valeurs successives en suivant un profil linéaire. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le courant 5 de référence prend plusieurs valeurs successives en suivant un profil en escalier à plusieurs échelons, chaque valeur du courant de référence suivant un échelon dudit profil. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une phase d'exploitation qui suit la phase d'identification et en ce 10 que ladite phase d'exploitation consiste à exploiter chaque valeur d'inductance (LEdsT) mémorisée lors de la phase d'identification pour déterminer un flux de référence à appliquer au moteur. 6. Système de commande d'un moteur électrique (M) synchrone à réluctance variable, comprenant une unité de traitement, ladite unité de 15 traitement étant associée à un convertisseur de puissance connecté par des phases de sortie (a, b, c) audit moteur électrique (M) et agencé pour appliquer des tensions variables audit moteur électrique en exécutant une loi de commande, caractérisé en ce que la loi de commande comporte : Un module de génération (M8) d'une trajectoire d'un courant de 20 référence (id), Un module de détermination, pour chaque valeur du courant de référence, d'une valeur de courant (id) déterminée à partir de courants mesurés sur les phases de sortie, Un module d'identification (M7) de chaque valeur d'inductance 25 (LdT) du moteur électrique à partir d'une valeur de courant de référence (id), de la valeur de courant (id) correspondante déterminée à partir des courants mesurés sur les phases de sortie et d'une valeur d'inductance ad ) prédéterminée ou variable, 30 Pour chaque valeur de courant (id) déterminé à partir des courants mesurés sur les trois phases de sortie, un module de mémorisation (M9) de la valeur d'inductance (LdT) correspondante déterminée. 3042332 15 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le module de génération du courant de référence (id) est agencé pour lui faire suivre un profil variable en partant initialement d'une valeur définie (id in) minimale ou maximale jusqu'à une valeur finale (ilcni ax ) , respectivement maximale ou 5 minimale. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que le courant de référence (id) prend plusieurs valeurs successives en suivant un profil linéaire. 9. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que le 10 courant de référence (id) prend plusieurs valeurs successives en suivant un profil en escalier à plusieurs échelons, chaque valeur du courant de référence suivant un échelon dudit profil. 15