Brevet FR3062004A1 — publié le 20180720

SYSTEME DE COMMANDE POUR UNE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention porte sur un système de commande pour une machine électrique 5 tournante et sur son procédé de commande correspondant. Ce système comprend notamment un convertisseur de courant électrique alternatif-continu également appelé onduleur. L'invention s'applique plus particulièrement à des machines électriques tournante du type réversibles polyphasées, dites alterno-démarreurs, qui 10 sont utilisées dans l'industrie automobile. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE Un onduleur permet de générer à partir d'une source de courant continu les courants polyphasés nécessaires au fonctionnement d'une machine électrique tournante polyphasée. 15 Généralement un onduleur comprend des éléments de commutation formant plusieurs bras de puissance, comportant chacun deux éléments de commutation dans une architecture classique de pont à deux niveaux. Le point milieu d'un couple d'éléments de commutation d'un même bras de puissance est relié à un enroulement de phase du stator de la machine 20 électrique tournante. La demande de brevet français FR2745445 de la société VALEO ELECTRONIQUE décrit un pont redresseur en sortie de stator de l'alternateur qui sert également de pont de commande des phases du moteur électrique, des transistors de puissance des bras du pont étant commandés 25 par des séquences de signaux carrés délivrés par une unité de commande. Une telle commande dite pleine onde est bien connue de l'homme de métier. Les éléments de commutation peuvent également être pilotés par des procédés de modulation de largeur d'impulsion dits MLI (ou PWM en anglais, acronyme de "Pulse Width Modulation"). 3062004 2 La figure 1 illustre de manière sommaire le principe d'une commande d'une commande vectorielle à modulation de largeur d'amplitude, la machine électrique 104 étant représentée dans le cas triphasé. Pour cette commande, on régule deux valeurs Id et lq qui sont les composantes d'un vecteur intensité dans un repère de Fresnel à l'aide de deux valeurs de commande Vd et Vq qui sont les composantes d'un vecteur tension dans un repère de Fresnel. On fait une transformation T-1, par exemple de Park inverse sur les deux valeurs Vd et Vq et on en déduit des tensions 100 pour chacune des phases. A partir des tensions 100, on détermine des signaux de commutation 102 pour chacun des éléments de commutation d'un onduleur 29 par un calcul 101. Les signaux de commutation 102 sont calculés afin que les tensions délivrées sur les phases électriques de la machine prennent les valeurs 100. Ces signaux de commutation 102 sont de type MLI. II sort de l'onduleur 29 des courants 103 destinés à chacune des phases de la machine 104. On fait alors une transformation T, par exemple une transformation de Park pour déterminer à partir des courants 103, les deux valeurs Id et lq dans un repère de Fresnel. Les deux valeurs Id et lq sont retranchées à des valeurs de référence, dépendantes par exemple d'un couple C de référence de la machine puis soumises à un correcteur de type Proportionnel Intégral Dérivé pour en déduire Vd et Vq, respectivement. La demande de brevet français FR2895598 par la société VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR décrit un procédé spécifique de commande MLI d'un onduleur polyphasé qui permet à la fois une réduction des pertes par commutation et une diminution d'un courant efficace dans le condensateur de découplage de manière à diminuer les ondulations de la tension d'alimentation. 3062004 3 Il est connu de la demande de brevet français FR3004299 par la société VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR le fait de changer de stratégie de commande par exemple en fonction de la vitesse de rotation du rotor de la machine électrique tournante. 5 La demande de brevet canadienne CA2027983 décrit une stratégie de transition entre une commande MLI vers une commande pleine avec l'augmentation de la vitesse de rotation. Il est notamment prévu une commutation entre les deux commandes lorsque le nombre de hachures du courant dépasse un certain nombre. Il est décrit également une réalisation 10 analogique de la stratégie de transition. La demande de brevet canadienne CA2631299 décrit la mise en place d'une phase de transition entre le passage d'une commande MLI vers pleine onde. Toutefois, ces deux demandes de brevet ne précisent pas le contrôle des variables électriques de la machine lors de la transition. 15 De manière générale, lors du passage entre la commande MLI et la commande pleine onde, la valeur maximale du module du vecteur tension également appelé également tension ondulable maximale varie. Cet écart de module du vecteur tension entre les deux modes interdit une transition parfaite et va engendrer un courant transitoire gênant. 20 OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour objet de répondre à ce souhait tout en remédiant à au moins un de ces inconvénients précités. Suivant l'invention il est proposé un système de commande pour une machine électrique tournante multiphasée et synchrone comprenant un 25 stator et un rotor comprenant une bobine, ledit système de commande comprenant: -une carte électronique pour générer des signaux de commutation stator en fonction d'un vecteur intensité dans un repère de Fresnel; 3062004 4 -un onduleur apte à commuter une source de tension en fonction des signaux de commutation stator pour délivrer à chacun des enroulements du stator une tension et une intensité ayant une pulsation électrique, de sorte que le stator génère un flux magnétique stator, le flux magnétique stator 5 ayant des composantes PHId et PHIq après une transformation de Park; -un capteur des courants des enroulements de phase du stator; et -un détecteur de la vitesse de rotation du rotor et de sa position; dans lequel l'onduleur et la carte électronique sont configurés pour fonctionner selon un mode de commande vectorielle à modulation de largeur 10 d'amplitude avec une tension maximale ondulable et selon un mode de commande pleine onde, Selon une caractéristique générale, selon le mode de commande vectorielle à modulation de largeur d'amplitude l'onduleur et la carte électronique sont configurés pour fonctionner selon un mode de commande transitoire, 15 et selon le mode de commande transitoire, l'onduleur et la carte électronique sont configurés pour fonctionner selon un mode de commande vectorielle à modulation de largeur d'amplitude qui régule une composante lq du vecteur intensité et dans lequel une composante Id du vecteur intensité ou un courant de bobine est régulé de sorte que le module d'un vecteur tension 20 correspondant au vecteur intensité prend la valeur de la tension maximale ondulable. Le mode de commande transitoire permet de faire tendre la valeur du module du vecteur tension vers une valeur supérieure à ce qu'il aurait été en mode de commande MLI vectorielle classique. Cela permet une transition 25 moins marquée vers le mode de commande pleine onde étant donné que l'écart du module de tension est moins important. Toutefois, la valeur du module du vecteur tension est inférieure la à tension maximale ondulable de sorte que la commande selon un mode MLI vectorielle est possible. Le mode de commande transitoire permet alors de faire tendre la valeur du module du vecteur tension vers la valeur maximale qu'il peut attendre selon 3062004 5 un mode de commande MLI vectorielle. On rapproche d'autant l'indice de modulation de la valeur d'indice de modulation d'une commande pleine onde. Selon d'autres caractéristiques prises isolément ou en combinaison : -la carte électronique détermine la valeur de la composante Id à l'aide d'une 5 fonction appliquée sur la composante PHId, la composante PHId étant déterminée à partir d'un flux magnétique stator maximal et de la composante PHIq. Ainsi en prenant comme hypothèse que le flux magnétique du stator prend une valeur maximale et en contrôlant la composante PHId en fonction, on 10 continue de réguler PHIq qui est directement relié au couple de la machine tout en permettant que le module du vecteur tension augmente. On permet ainsi une commande selon laquelle le couple développé par la machine reste autour de la valeur requise par un contrôle moteur. -la carte électronique lors du mode de commande transitoire détermine la 15 valeur du courant de bobine à l'aide d'une fonction appliquée sur la composante PHId, la composante PHId étant déterminée à partir d'un flux magnétique stator maximal et de la composante PHIq. De même, on continue de réguler PHIq qui est directement relié au couple de la machine tout en permettant que le module du vecteur tension augmente 20 puisque l'on suppose que le flux du stator prend sa valeur maximale. On permet ainsi une commande selon laquelle le couple développé par la machine reste autour de la valeur requise par un contrôle moteur. -la composante PHIq est déterminée à l'aide des courants dans les enroulements de phase. 25 Pour cela, on peut par exemple utiliser une cartographie de la machine électrique tournante. -le flux du stator maximal est déterminé par la carte électronique à l'aide de la tension maximale ondulable et de la pulsation électrique. 3062004 6 Selon un autre aspect, l'invention a également pour objet un procédé de commande pour une machine électrique tournante multiphasée et synchrone comprenant un stator et un rotor comprenant une bobine, ledit procédé de commande comprenant: 5 -une génération de signaux de commutation stator en fonction d'un vecteur intensité I dans un repère de Fresnel; -une commutation par un onduleur d'une source de tension en fonction des signaux de commutation stator pour délivrer à chacun des enroulements du stator une tension et une intensité de pulsation électrique we, de sorte que le 10 stator génère un flux magnétique stator PHI, le flux magnétique stator PHI ayant des composantes PHId et PHIq après une transformation de Park; -une mesure des courants des enroulements de phase du stator; -une détection de la vitesse de rotation du rotor et de sa position; -une commande de l'onduleur du type commande vectorielle à modulation de 15 largeur d'amplitude avec une tension maximale ondulable, -une commande de l'onduleur du type commande pleine onde, Selon une caractéristique générale, lors du mode de commande vectorielle à modulation de largeur d'amplitude l'onduleur et la carte électronique sont configurés pour fonctionner selon un mode de commande transitoire, 20 et la commande transitoire est du type à modulation de largeur d'amplitude vectorielle qui régule une composante lq du vecteur intensité et dans laquelle une composante Id du vecteur intensité ou un courant de bobine est régulé de sorte que le module d'un vecteur tension correspondant au vecteur intensité prend la valeur de la tension maximale ondulable. 25 Selon d'autres caractéristiques prises isolément ou en combinaison : -la commande transitoire, la valeur de la composante du vecteur intensité est déterminée à l'aide d'une fonction appliquée sur la composante PHId, la composante PHId étant déterminée à partir d'un flux magnétique stator maximal et de la composante PHIq. 3062004 7 -lors de la commande transitoire la valeur du courant de bobine est déterminée à l'aide d'une fonction appliquée sur la composante PHId, la composante PHId étant déterminée à partir d'un flux magnétique stator maximal et de la composante PHIq. 5 -la composante PHIq est déterminée à l'aide des courants dans les enroulements de phase. -le flux du stator maximal est déterminé à l'aide de la tension maximale ondulable et de la pulsation électrique. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 10 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : -la figure 1 représente de manière sommaire, le principe d'une commande à modulation de largeur d'impulsion vectorielle selon l'état de la technique; 15 -la figure 2 représente un système de commande pour une machine électrique tournante selon l'invention; -la figure 3 représente une évolution de l'indice de modulation selon un mode de réalisation de l'invention ; -la figure 4 représente un procédé de commande pour une machine 20 électrique selon un mode de réalisation de l'invention; -la figure 5 représente un procédé de commande pour une machine électrique selon un autre mode de réalisation de l'invention; -la figure 6 représente un procédé de commande pour une machine électrique selon un mode de réalisation de l'invention; et 25 -la figure 7 représente un procédé de commande pour une machine électrique selon un mode de réalisation de l'invention. 3062004 8 Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. DESCRIPTION D'EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION Dans la suite de la description l'acronyme MLI bien connu de l'homme du 5 métier, est utilisé pour désigner modulation à largeur d'impulsion. La figure 2 illustre un système de commande pour une machine électrique tournante multiphasée et synchrone comprenant un stator 31 muni de trois enroulements de phase 8, 9, et 10 par exemple reliés à un point neutre et un rotor 30. Dans la suite de la description, on définit un vecteur tension V, un 10 vecteur intensité I dans un repère de Fresnel. Le vecteur tension V a des composantes Vd et Vq et peut être relié à l'aide d'une transformée inverse de Park aux tensions de chacun des enroulements de phase 8, 9 et 10 et du point neutre le cas échéant. De même, le vecteur intensité I a des composantes Id et lq et est obtenu à l'aide d'une transformée de Park sur les 15 intensités de chacun des enroulements de phase. Le système de commande comprend: -un capteur 15 des courants des enroulements de phase du stator. -une carte électronique 16 pour générer des signaux de commutation stator. Ces signaux de commutation stator sont générés en fonction du vecteur 20 intensité I dans un repère de Fresnel. Par exemple, on calcule d'abord le vecteur tension V de commande à partir du vecteur intensité I et la génération de signaux de commutation stator est faite à partir de ce vecteur tension V de commande. La carte électronique est par exemple équipée d'un microprocesseur 17. 25 -un onduleur 29 apte à commuter une source de tension 1 délivrant une tension continue Vdc en fonction des signaux de commutation stator pour délivrer à chacun des enroulements de phase du stator 8, 9, et 10 une tension et une intensité de pulsation électrique we, de sorte que le stator génère un flux magnétique stator PHI, le flux magnétique stator PHI ayant 30 des composantes PHId et PHIq après une transformation de Park. Selon cet exemple de réalisation, l'onduleur 29 comprend trois bras qui sont reliés aux 3062004 9 trois enroulements de phase respectivement. Chaque bras comprend deux transistors 2A, 2B, 4A, 4B, 6A, 6B et deux diodes 3A, 3B, 5A, 5B, 7A, 7B. Les diodes 3A, 3B, 5A, 5B, 7A, 7B sont branchées en parallèle des transistors 2A, 2B, 4A, 4B, 6A, 6B, respectivement. La carte électronique 16 5 est configurée pour émettre un signal de commutation stator vers chacun de ces transistors. -un détecteur 14 de la position et de la vitesse de rotation du rotor également appelée vitesse de rotation de la machine, par exemple le détecteur 14 comprend un module avec des capteurs à effet Hall. 10 Le rotor 30 comprend par exemple une bobine 13 pour générer un flux magnétique rotor PHIr destiné à interagir avec le flux magnétique stator PHI, ladite bobine 13 étant alimentée par un courant de bobine Ir, le courant de bobine étant généré par un système de commutation rotor 12 qui module la tension de la source de tension 1. Le système de commutation rotor 12 est 15 réalisé par exemple par un transistor. La carte électronique 16 est configurée pour émettre un signal de commutation rotor au système de commutation rotor 12 afin de réguler le courant de bobine, une diode 11 pouvant être branchée en parallèle de la bobine. La carte électronique et l'onduleur sont configurés pour fonctionner selon un 20 mode de commande vectorielle à modulation de largeur d'amplitude 22 avec une tension maximale ondulable V_maxMLI et un indice de modulation m avec une valeur maximale mMLl_max et selon un mode de commande pleine onde 24 avec un indice de modulation m ayant une valeur fixe mPO. Selon le mode de commande vectorielle à modulation de largeur d'amplitude 25 22, on peut prévoir par exemple que les deux valeurs régulées sont les composantes Id et lq d'un vecteur intensité et que les deux valeurs de commande sont les deux composantes Vd et Vq d'un vecteur tension, le vecteur tension et le vecteur intensité étant exprimés dans un repère de Fresnel. 30 Dans ce cas, de manière similaire au principe illustré en figure 1, la carte électronique va calculer à partir des courants des enroulements de phase du stator à l'aide d'une transformée de Park, les composantes Id et lq. Puis, en 3062004 10 fonction de ces valeurs Id, lq et de fonctions relatives au fonctionnement de la machine électrique comme notamment un couple à exercer par la machine et la vitesse de rotation indiquée par le détecteur 14, la carte électronique va déduire les deux valeurs de commandes Vd et Vq. La carte électronique 5 applique alors une transformée de Park inverse pour déterminer les tensions polyphasées correspondantes et le potentiel du point neutre le cas échéant et en déduire les signaux de commutation stator qui sont des signaux MLI. L'indice de modulation m respecte alors l'équation ci dessous: V(Vq2+Vd2) 111 = REVENDICATIONS1. Système de commande pour une machine électrique tournante multiphasée et synchrone comprenant un stator (31) et un rotor (30) comprenant une bobine (13), ledit système de commande comprenant: -une carte électronique (16) pour générer des signaux de commutation stator en fonction d'un vecteur intensité (I) dans un repère de Fresnel; -un onduleur (29) apte à commuter une source de tension (1) en fonction des signaux de commutation stator pour délivrer à chacun des enroulements du stator (8, 9, 10) une tension et une intensité ayant une pulsation électrique (we), de sorte que le stator génère un flux magnétique stator (PHI), le flux magnétique stator (PHI) ayant des composantes PHId et PHIq après une transformation de Park; -un capteur (15) des courants des enroulements de phase du stator (8, 9, 10); et -un détecteur (14) de la vitesse de rotation du rotor (N) et de sa position; dans lequel l'onduleur (29) et la carte électronique (16) sont configurés pour fonctionner selon un mode de commande vectorielle à modulation de largeur d'amplitude (22) avec une tension maximale ondulable (V_maxMLI) et selon un mode de commande pleine onde (24), caractérisé en ce que selon le mode de commande vectorielle à modulation de largeur d'amplitude (22) l'onduleur (29) et la carte électronique (16) sont configurés pour fonctionner selon un mode de commande transitoire (26), et en ce que selon le mode de commande transitoire (26), l'onduleur (29) et la carte électronique (16) sont configurés pour fonctionner selon un mode de commande vectorielle à modulation de largeur d'amplitude qui régule une composante lq du vecteur intensité (I) et dans lequel une composante Id du vecteur intensité (I) ou un courant de bobine (Ir) est régulé de sorte que le module d'un vecteur tension (V) correspondant au vecteur intensité (I) prend la valeur de la tension maximale ondulable (V_maxMLI). 3062004 27 2. Système de commande selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la carte électronique (16) détermine la valeur de la composante Id à l'aide d'une fonction (F-1) appliquée sur la composante PHId, la composante PHId étant déterminée à partir d'un flux magnétique stator maximal (PHIm) et 5 de la composante PHIq. 3. Système de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que la carte électronique (16) lors du mode de commande transitoire détermine la valeur du courant de bobine (Ir) à l'aide d'une fonction (F-1) appliquée sur la composante PHId, la composante PHId étant déterminée à partir d'un flux 10 magnétique stator maximal (PHIm) et de la composante PHIq. 4. Système de commande selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la composante PHIq est déterminée à l'aide des courants dans les enroulements de phase (8, 9, 10). 5. Système de commande selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé 15 en ce que le flux du stator maximal (PHIm) est déterminé par la carte électronique (16) à l'aide de la tension maximale ondulable (V_maxMLI) et de la pulsation électrique (we). 6. Procédé de commande pour une machine électrique tournante multiphasée et synchrone comprenant un stator (31) et un rotor (30) 20 comprenant une bobine (13), ledit procédé de commande comprenant: -une génération (32) de signaux de commutation stator en fonction d'un vecteur intensité (I) dans un repère de Fresnel; -une commutation (33) par un onduleur d'une source de tension en fonction des signaux de commutation stator pour délivrer à chacun des enroulements 25 du stator une tension et une intensité de pulsation électrique (we), de sorte que le stator génère un flux magnétique stator (PHI), le flux magnétique stator (PHI) ayant des composantes PHId et PHIq après une transformation de Park; -une mesure (34) des courants des enroulements de phase du stator; -une détection (35) de la vitesse de rotation du rotor et de sa position; 3062004 28 -une commande (22) de l'onduleur du type commande vectorielle à modulation de largeur d'amplitude avec une tension maximale ondulable (V_maxMLI), -une commande (24) de l'onduleur du type commande pleine onde, 5 caractérisé en ce que lors du mode de commande vectorielle à modulation de largeur d'amplitude (22) l'onduleur (29) et la carte électronique (16) sont configurés pour fonctionner selon un mode de commande transitoire (26), et en ce que la commande transitoire (26) est du type à modulation de largeur d'amplitude vectorielle qui régule une composante lq du vecteur 10 intensité (I) et dans laquelle une composante Id du vecteur intensité (I) ou un courant de bobine (Ir) est régulé de sorte que le module d'un vecteur tension (V) correspondant au vecteur intensité (I) prend la valeur de la tension maximale ondulable (V_maxMLI). 7. Procédé de commande selon la revendication précédente, caractérisé en 15 ce que dans la commande transitoire (26), la valeur de la composante Id est déterminée à l'aide d'une fonction (F-1) appliquée sur la composante PHId, la composante PHId étant déterminée à partir d'un flux magnétique stator maximal (PHIm) et de la composante PHIq. 8. Procédé de commande selon la revendication 6, caractérisé en ce que lors 20 de la commande transitoire (26) la valeur du courant de bobine (Ir) est déterminée à l'aide d'une fonction (F-1) appliquée sur la composante PHId, la composante PHId étant déterminée à partir d'un flux magnétique stator maximal (PHIm) et de la composante PHIq. 9. Procédé de commande selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce 25 que la composante PHIq est déterminée à l'aide des courants dans les enroulements de phase (8, 9, 10). 10. Procédé de commande selon l'unes des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le flux du stator maximal (PHIm) est déterminé à l'aide de la tension maximale ondulable (V_maxMLI) et de la pulsation électrique (we). 30