Brevet FR3036556A1 — publié le 20161125

Procédé et système de commande d'une machine électrique asynchrone pour véhicule automobile. L'invention a pour domaine technique la commande de moteurs électriques, et en particulier la commande de moteurs électriques asynchrones. Dans le monde de l'automobile, les machines électriques de traction sont poussées dans leurs retranchements en combinant des performances dynamiques élevées avec des volumes réduits. Cela favorise l'apparition de certains problèmes comme la saturation des tensions de commande. Appliquer des tensions saturées constitue un risque d'instabilité car les machines sont généralement pilotées en boucle ouverte. Plusieurs techniques ont été introduites afin de pouvoir contrôler le couple, la vitesse ou la position d'une machine électrique. La commande vectorielle permet de commander une machine électrique asynchrone comme une machine à courant continu à excitation indépendante, dans laquelle a lieu un découplage naturel entre la grandeur commandant le flux, le courant d'excitation, et la grandeur liée au couple, le courant d'induit. Ce découplage permet d'obtenir une réponse très rapide du couple. Il existe un problème de commande lié à la saturation de la commande vectorielle appliquée sur une machine électrique, notamment une machine asynchrone à cage. On rappelle qu'une machine asynchrone à cage comprend un rotor ne tournant pas à la vitesse du champ tournant généré par le stator. De plus, dans une telle machine, le stator comprend la seule entrée électrique. De l'état de la technique antérieure, on connaît les documents suivants. Le document US3851234 décrit une méthode pour éviter la saturation magnétique en réduisant la vitesse de la machine électrique qui fournit le couple. 3036556 2 Le document US5015937 décrit la commande d'une machine synchrone à rotor bobiné en boucle ouverte avec des tables de données pour éviter les saturations. Le document US6181091 décrit la commande d'une machine 5 synchrone à aimants permanents dans laquelle la saturation est évitée en modifiant le fonctionnement des signaux modulés en largeur d'impulsion (PWM) permettant de générer les tensions sur chaque branche de la machine. Le document FR2991525 décrit la commande d'une machine 10 électrique. La commande décrite est optimale lorsque la force électromotrice de la machine est suffisamment importante pour nécessiter un dé-fluxage. Toutefois, à basse vitesse, cette commande n'est pas applicable. Enfin, cette commande est tributaire de la vitesse de la machine. 15 Le document W02014191649 divulgue un procédé de commande ne prenant en compte que les tensions de la machine électrique et pas le flux rotorique. Le document FR2980059 décrit un procédé de commande très rapide, mais ne permettant pas à lui seul de sortir de la saturation et de 20 garantir la stabilité de la commande sur une échelle de temps suffisante, en particulier du fait des dispersions paramétriques. Il existe un besoin pour un procédé et un système de commande d'une machine électrique apte à désaturer rapidement la commande de la machine électrique en maintenant le couple. 25 L'invention a pour objet un procédé de commande d'une machine électrique asynchrone pour véhicule automobile, comprenant des étapes au cours desquelles on détermine une consigne de couple moteur fonction de la volonté du conducteur, on mesure la tension de batterie, on détermine les tensions statoriques de la machine électrique 30 dans le repère triphasé, et on détermine les tensions statoriques de la machine électrique dans un repère diphasé en fonction des tensions statoriques de la machine électrique dans le repère triphasé. Le procédé comprend par ailleurs des étapes au cours desquelles on détermine si la moyenne quadratique des tensions 3036556 3 statoriques dans un repère diphasé est inférieure ou égale à la tension de batterie pondérée par un coefficient de marge, et si tel n'est pas le cas, on sature la consigne de flux rotorique à une valeur maximale fonction des tensions statoriques et de la tension de batterie, et on 5 sature la composante directe de la tension statorique à une borne maximale et la composante quadratique de la tension statorique à une autre borne maximale tout en maintenant constant l'angle déterminé par l'arctangente de la composante quadratique de la tension statorique divisée par la composante directe de la tension statorique. 10 Pour déterminer la valeur maximale de la consigne de flux rotorique, on peut réaliser des étapes au cours desquelles on détermine une erreur de tension comme la différence entre la moyenne quadratique des tensions statoriques dans un repère diphasé et la tension de batterie pondérée, puis on sature l'erreur de tension, puis, 15 on calcule la valeur maximale de la consigne de flux rotorique, par une régulation Proportionnel Intégral en fonction de paramètres de réglage et de l'erreur de tension saturée. L'invention a également pour objet un système de commande d'une machine électrique asynchrone pour véhicule automobile, 20 comprenant un moyen de détermination d'une consigne de couple moteur en fonction de la volonté du conducteur, un moyen de mesure de la vitesse de rotation de la machine électrique, un moyen de mesure de la tension de batterie, un moyen de détermination d'une consigne de flux rotorique en fonction de la consigne de couple moteur et de la 25 vitesse de rotation mécanique. Le système comprend par ailleurs un moyen de saturation apte à déterminer si la moyenne quadratique des tensions statoriques dans un repère diphasé est inférieure ou égale à la tension de batterie pondérée par un coefficient de marge et à déterminer une consigne de 30 flux rotorique saturée en fonction de la consigne de flux rotorique et d'une valeur maximale de flux rotorique, un moyen de régulation apte à déterminer les tensions statoriques dans un repère diphasé en fonction des courants statoriques dans un repère diphasé, de la consigne de couple moteur, de l'angle statorique et de la consigne de 3036556 4 flux rotorique saturée, un premier moyen de calcul apte à déterminer si la moyenne quadratique des tensions statoriques dans un repère diphasé est inférieure ou égale à la tension de batterie pondérée et à déterminer une valeur maximale de la consigne de flux rotorique, et à 5 saturer la composante directe de la tension statorique à une borne maximale et la composante quadratique de la tension statorique à une autre borne maximale tout en maintenant constant l'angle déterminé par l'arctangente de la composante quadratique de la tension statorique divisée par la composante directe de la tension statorique, et un 10 deuxième moyen de calcul apte à déterminer des tensions statoriques dans le repère triphasé en fonction des consignes de tensions statoriques et de l'angle statorique. Le premier moyen de calcul peut comprendre un moyen de détermination d'une erreur de tension égale à la différence entre la 15 moyenne quadratique des tensions statoriques dans un repère diphasé et la tension de batterie pondérée, un moyen de saturation de l'erreur de tension et un moyen de calcul de la valeur maximale de la consigne de flux rotorique, par une régulation Proportionnel Intégral en fonction de paramètres de réglage et de l'erreur de tension saturée. 20 D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre les repères triphasés, de Clarke et de Park, 25 - la figure 2 illustre les principales étapes d'un procédé de commande selon l'invention, et - la figure 3 illustre les principaux éléments d'un système de commande selon l'invention. Pour traiter le problème de la saturation, on utilise des modèles 30 qui permettent de simuler le fonctionnement dynamique de la machine électrique et qui permettent d'obtenir une commande suivant un schéma de contrôle vectoriel par orientation du flux rotorique ou statorique. 3036556 5 La transformation de Clarke est préférée à celle de Concordia pour passer des grandeurs triphasées (a,b,c) aux grandeurs diphasées (a,(3). La figure 1 illustre les repères correspondants. Ce choix de matrice de passage non normée permet, par exemple, d'apprécier 5 directement le module du courant absorbé par la machine électrique, sans avoir à passer par un coefficient multiplicateur. X, Xb Xc - C23 - Xp (Eq. 1) Avec C23 = 1 1 3 2 2 0 2 2 X Xb Xc 10 xL3 - C32 - (Eq. 2) Avec C32 = 1 0 2 2 2 2 Les équations suivantes décrivent le passage entre le repère diphasé (ct,(3) et le repère de Park (d,q). 15 cos(0s) - ) sin (9s ) cos(0s) x', xL3 =P Xd X avec P = (Eq. 3) cos(9s) ) - ) cos(0s) Xd X pA avec /3-1= (Eq. 4) 20 3036556 6 Il apparaît clairement ensuite que le repère de la transformation de Park des grandeurs statoriques et celles des grandeurs rotoriques doivent coïncider pour simplifier les équations. Ceci se fait en liant les angles 0, et 0, par la relation : 5 es = + 0, (Eq. 5) avec : 0, : l'angle que forme le champ tournant par rapport au repère 10 (a,, (3s) fixe par rapport au stator, 0 : l'angle mécanique, et 0, : l'angle que forme le champ tournant par rapport au repère (ctr, (3r) fixe par rapport au rotor. 15 On précise que le repère (as, (3s) est fixe et lié au stator. Le repère (ar, (3,), quant à lui, est lié au rotor. Enfin, le repère (d, q) est lié au champ magnétique tournant. La commande de la machine électrique peut être décrite dans 20 un référentiel lié au champ tournant. Dans ce cas, la pulsation statorique co, est définie par l'équation suivante : cos (Eq. 6) La pulsation rotorique or est définie par l'équation suivante : 25 cor = 0r (Eq. 7) La pulsation mécanique w est définie par l'équation suivante : 0=ws-or =é= P{) (Eq. 8) 30 Avec S2 : la vitesse de rotation mécanique. On peut écrire alors : 3036556 7 Vds = d9 ds (Eq. 9) RsI ds dt " qs dcp V = R I + qs as qs s qs dt 0 = RrI +d9 dr or9 gr dt 0 = RrI dcp qr (i)r qr + dr dt Avec : Vds : la composante directe d de la tension appliquée au stator dans le repère de Park, 5 Vqs : la composante en quadrature q de la tension appliquée au stator dans le repère de Park, Rs représente la résistance du stator de la machine, et Rr représente la résistance du rotor de la machine. (Pdr : la composante directe d du flux rotorique dans le 10 repère de Park, (Pqr : la composante en quadrature q du flux rotorique dans le repère de Park, Ls : l'inductance du stator, Lr : l'inductance du rotor, 15 M : l'inductance mutuelle, Ids : la composante directe d du courant statorique dans le repère de Park, Iqs : la composante en quadrature q du courant statorique dans le repère de Park, 20 Idr : la composante directe d du courant rotorique dans le repère de Park, et Iqr : la composante en quadrature q du courant rotorique dans le repère de Park. 25 Il est à noter que les tensions appliquées au stator Vds et Vqs dépendent des flux rotoriques (dr et (Pqr par l'intermédiaire des courants de rotor Idr et iqr. 3036556 8 L'avantage d'utiliser ce référentiel est d'avoir des grandeurs constantes en régime permanent. Il est alors plus aisé d'en faire la régulation. Le but de la commande vectorielle est d'arriver à commander la 5 machine asynchrone comme une machine à courant continu à excitation indépendante où il y a un découplage naturel entre la grandeur commandant le flux, le courant d'excitation, et celle liée au couple, le courant d'induit. Ce découplage permet d'obtenir une réponse très rapide du couple. 10 Pour cela, on oriente le repère de Park (d, q) de sorte que l'axe direct d soit en phase avec le flux, c'est-à-dire : La commande vectorielle ainsi obtenue est dite à orientation du 15 flux rotorique. Elle permet d'éliminer l'influence des réactances de fuite rotorique et statorique et donne de meilleurs résultats que les méthodes basées sur l'orientation du flux statorique. Les conditions de l'équation Eq. 10 peuvent être transposées à la commande de la machine électrique en fixant 20 (Pdr - (Pr (Pqr-0 (Eq. 11) Les équations de la machine dans un référentiel lié au champ tournant (Eq. 9) deviennent alors : 25 r dr 149d =49 (Eq. 10) 49q =0 dl M ('9 IV d, = RsI ds ± o-L s dt ds + r (9s o-Ls I ds L r dt V qs = R sl qs + o-Ls dld + w M -9 + w o-L I d tqs r d9r dt + r = MI ds M I r r qs (Eq. 12) 3036556 9 Ce = p -M9,1 2 L qs Avec : 'Cr : la constante de temps rotorique, o- =L - M2 5 L, Les tensions Vds et Vqs stabilisent la machine autour d'un point de fonctionnement désiré. Elles sont déterminées par application des équations suivantes qui sont celles du régulateur, d'équations Regl et Reg2 : 10 (Vds wS6Ls (Re gl Je g2) (Eq. 13) qs s ( - K 61(1 - I ci# s) RS -K -I# +o-Ls q qs qs) S Avec : Kd et Kg : des paramètres de réglage ; 15 s : la variable de Laplace. La contrainte à respecter de sorte que la tension appliquée ne soit pas supérieure à la tension disponible dans la batterie est la suivante : ± 2 REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'une machine électrique asynchrone pour véhicule automobile, comprenant des étapes au cours desquelles on détermine une consigne de couple moteur fonction de la volonté du conducteur, on mesure la tension de batterie, on détermine les tensions statoriques de la machine électrique dans le repère triphasé, on détermine les tensions statoriques de la machine électrique dans un repère diphasé en fonction des tensions statoriques de la machine électrique dans le repère triphasé, caractérisé par le fait qu'il comprend des étapes au cours desquelles : on détermine si la moyenne quadratique des tensions statoriques dans le repère diphasé est inférieure ou égale à la tension de batterie pondérée par un coefficient de marge, si tel n'est pas le cas, on sature la consigne de flux rotorique à une valeur maximale fonction des tensions statoriques et de la tension de batterie, et on sature la composante directe de la tension statorique à une borne maximale et la composante quadratique de la tension statorique à une autre borne maximale tout en maintenant constant l'angle déterminé par l'arctangente de la composante quadratique de la tension statorique divisée par la composante directe de la tension statorique. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel pour déterminer la valeur maximale de la consigne de flux rotorique, on réalise les étapes suivantes : on détermine une erreur de tension comme la différence entre la moyenne quadratique des tensions statoriques dans le repère diphasé et la tension de batterie pondérée, puis on sature l'erreur de tension, puis, 3036556 14 on calcule la valeur maximale de la consigne de flux rotorique, par une régulation Proportionnel Intégral en fonction de paramètres de réglage et de l'erreur de tension saturée. 3. Système de commande d'une machine électrique asynchrone 5 pour véhicule automobile, comprenant un moyen de détermination (4) d'une consigne de couple moteur en fonction de la volonté du conducteur, un moyen de mesure de la vitesse de rotation de la machine électrique (11) 10 un moyen de mesure de la tension de batterie, un moyen (5) de détermination d'une consigne de flux rotorique en fonction de la consigne de couple moteur et de la vitesse de rotation mécanique, le système étant caractérisé par le fait qu'il comprend 15 un moyen (6) de saturation apte à déterminer si la moyenne quadratique des tensions statoriques dans un repère diphasé est inférieure ou égale à la tension de batterie pondérée par un coefficient de marge et à déterminer une consigne de flux rotorique saturée en fonction de la consigne de flux rotorique et d'une valeur maximale de 20 flux rotorique, un moyen de régulation (7) apte à déterminer les tensions statoriques dans le repère diphasé en fonction des courants statoriques dans le repère diphasé, de la consigne de couple moteur, de l'angle statorique et de la consigne de flux rotorique saturée, 25 un premier moyen (8) de calcul apte à déterminer si la moyenne quadratique des tensions statoriques dans le repère diphasé est inférieure ou égale à la tension de batterie pondérée et à déterminer une valeur maximale de la consigne de flux rotorique, et à saturer la composante directe de la tension statorique à une borne maximale et la 30 composante quadratique de la tension statorique à une autre borne maximale tout en maintenant constant l'angle déterminé par l'arctangente de la composante quadratique de la tension statorique divisée par la composante directe de la tension statorique, et 3036556 15 un deuxième moyen de (9) de calcul apte à déterminer des tensions statoriques dans le repère triphasé en fonction des consignes de tensions statoriques et de l'angle statorique. 4. Système selon la revendication 3, dans lequel le premier 5 moyen (8) de calcul comprend un moyen de détermination d'une erreur de tension égale à la différence entre la moyenne quadratique des tensions statoriques dans le repère diphasé et la tension de batterie pondérée, un moyen de saturation de l'erreur de tension et un moyen de calcul de la valeur maximale de la consigne de flux rotorique, par 10 une régulation Proportionnel Intégral en fonction de paramètres de réglage et de l'erreur de tension saturée.