Brevet FR3084222A1 — publié le 20200124

Procédé de détermination de la position et de la vitesse du rotor d'une machine électrique synchrone à rotor bobiné L'invention se rapporte au domaine des machines électriques synchrones à rotor bobiné. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de détermination de la position et de la vitesse du rotor d'une machine électrique synchrone à rotor bobiné. Pour contrôler une machine électrique synchrone à rotor bobiné (abrégé en MSRB), il est généralement nécessaire de connaître la position et la vitesse du rotor. Une solution bien connue de l'art antérieur consiste à installer sur l'arbre mécanique de la machine un ou plusieurs capteurs mécaniques de position et de vitesse. Cependant, ces capteurs mécaniques sont coûteux, encombrants, sensibles à l'environnement (température, bruits, oscillations mécaniques, compatibilité électromagnétique, etc.) et réduisent la fiabilité du système. Aussi, pour éviter d'utiliser des capteurs mécaniques, des procédés de contrôle sans capteur mécanique ont été développés pour assurer un contrôle de qualité identique, voire meilleur, que celui du contrôle avec capteur mécanique. Habituellement, ces procédés de contrôle sans capteur utilisent des algorithmes d'estimation de la position/vitesse mécanique, aussi appelés capteurs logiciels, en boucle fermée, se basant sur la seule mesure des 25 courants. On connaît aussi des procédés d'estimation de la position/vitesse du rotor par injection de signaux haute fréquence, tel que décrit dans le document US2004070360 A1, qui a pour effet de permettre une détection moins dépendante des paramètres de la machine. 30 Cependant ces procédés restent tout de même dépendants des paramètres des machines électriques, et plus particulièrement pour les MSRB, des inductances statoriques vues par le rotor. De plus ces techniques reposent 2 sur la connaissance des caractéristiques de signal injecté, tels que l'amplitude et la fréquence. Aussi, il existe le besoin d'un procédé d'estimation de la position/vitesse plus fiable et moins dépendant des paramètres de la machine électrique 5 synchrone à rotor bobiné. À cet effet, on propose un procédé d'estimation de la vitesse et de la position d'un rotor d'une machine synchrone à rotor bobiné alimenté par un onduleur triphasé, comprenant : - une étape de mesure des courants triphasés en entrée de la machine 10 synchrone à rotor bobiné ; - une étape de transformation des courants triphasés mesurés dans un repère diphasé ; - une première partie comprenant : - une étape d'injection en entrée de la machine d'un signal de tension 15 haute-fréquence ; - une étape de démodulation pour déterminer une valeur d'erreur (E) d'estimation de position du rotor ; caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième partie comportant : - une étape de calcul du signe de l'erreur d'estimation de position ; 20 - une étape d'estimation de la position du rotor en fonction d'un paramètre de gain de position, du signe de l'erreur ainsi calculé, indépendamment des paramètres de la machine électrique, tels que des valeurs d'inductances statoriques de la machine électrique ; et - une étape d'estimation de la vitesse du rotor en fonction d'un paramètre de gain de vitesse, du signe de l'erreur ainsi calculé, indépendamment des paramètres de la machine électrique, tels que des valeurs d'inductances statoriques de la machine électrique. Ainsi, on peut estimer la vitesse et la position du rotor seulement à partir de paramètres indépendants de la machine électrique, ce qui améliore la robustesse et la simplicité d'adaptation à toute machine à rotor bobiné. Avantageusement et de manière non limitative, l'étape d'estimation de la position du rotor à un instant donné est fonction de la position estimée à un instant précédent, ainsi que de la vitesse estimée à l'instant précédent. Ainsi, 3 par cette approche en boucle de l'estimation de la position, on peut obtenir une estimation rapide, simple et robuste. Avantageusement et de manière non limitative, l'étape d'estimation de la vitesse du rotor à un instant donné est fonction de la vitesse estimée à l'instant 5 précédent. Ainsi, par cette approche en boucle de l'estimation de la vitesse, on peut obtenir une estimation rapide, simple et robuste. Avantageusement et de manière non limitative, le procédé met en outre en oeuvre une étape de calcul de l'accélération en fonction du signe de l'erreur et de l'accélération estimée à l'instant précédent. Ainsi, on peut obtenir une 10 estimation de l'accélération robuste et indépendante des paramètres de la machine électrique. Avantageusement et de manière non limitative, le procédé comprend en outre une étape de calcul de la dynamique d'accélération en fonction du signe de l'erreur et de la valeur de dynamique d'accélération estimée à l'instant 15 précédent. Ainsi, on peut obtenir une estimation de la dynamique d'accélération robuste et indépendante des paramètres de la machine électrique. Cette estimation permettant d'affiner les autres estimations du procédé Avantageusement et de manière non limitative, l'étape de calcul de l'accélération est fonction de la valeur de dynamique d'accélération estimée à 20 l'instant précédent. Ainsi, on peut obtenir une valeur d'accélération encore plus précise. Avantageusement et de manière non limitative, les paramètres de gain de position et de vitesse sont fonction de la valeur de dynamique d'accélération estimée à l'instant précédent. Ainsi, on peut obtenir des gains adaptatifs 25 permettant d'affiner les estimations de position et de vitesse. Avantageusement et de manière non limitative, les paramètres de gain de position et de vitesse sont fonction de la valeur d'accélération estimée à l'instant précédent. Ainsi, on peut obtenir des gains adaptatifs permettant d'affiner les estimations de position et de vitesse. 30 L'invention concerne aussi un ensemble comprenant une machine électrique synchrone à rotor bobiné et un dispositif de mise en oeuvre d'un procédé tel que décrit précédemment. 4 L'invention concerne aussi un véhicule automobile comprenant un ensemble tel que décrit précédemment. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de 5 l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un procédé selon l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique d'un rotor et des axes de calcul employés dans le procédé selon l'invention ; 10 - la figure 3 est une vue schématique d'une étape de calcul des estimations de position et de vitesse du rotor selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique d'une étape de calcul des estimations de position et de vitesse du rotor selon un deuxième mode de 15 réalisation de l'invention ; et - la figure 5 est une vue schématique d'une étape de calcul des estimations de position et de vitesse du rotor selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Le procédé d'estimation de la vitesse et de la position du rotor d'une 20 machine synchrone à rotor bobiné comprend une étape de mesure 10 des courants triphasés, deux parties distinctes : une première partie 11 de traitement du signal, comprenant notamment l'injection d'un signal haute fréquence (HF) et l'extraction de l'expression d'erreur et une deuxième partie 12 d'estimation en fonction du signal injecté. 25 Tout d'abord le procédé met en oeuvre une étape de mesure 10 des courants triphasés 1a' ib, ic en entrée de la machine synchrone à rotor bobiné. Celle-ci est alimentée par un onduleur triphasé. Cette étape n'est cependant pas obligatoirement réalisée avant la première partie 11 du procédé, elle peut aussi être réalisée pendant la première partie 11 du procédé, par exemple 30 avant qu'il ne soit nécessaire de faire appel aux valeurs de courant triphasés mesurés in, ib, ib. La première partie 11 du procédé comprend la mise en oeuvre d'une méthode d'injection d'un signal haute fréquence fréquemment nommée 5 technique pulsante. Autrement dit, on injecte un signal haute-fréquence, ici une tension haute-fréquence, par addition à la tension d'entrée de l'onduleur dans le repère tournant estimé aq. La technique pulsante, connue de l'homme du métier, permet d'injecter 5 une tension haute fréquence dans un repère de Park estimé dg. En référence à la figure 2, le repère de Park est orienté par rapport à l'angle B , correspondant à l'estimation de la position du rotor 20, selon les équations suivantes : 19a = Vc COS(Wct) (1) Pq = 0 (2) 10 où : Vc est l'amplitude de la tension haute fréquence injectée. c dt = -de est la fréquence de la tension haute fréquence injectée. À partir des courants triphasés mesurés, nous déduisons les courants a(k) diphasés t. ip(k) mesurés par application de l'équation suivante : 1 if2 1 i'(k) _ - 3 )[0 ', 2 r 2 _ilFlict(k) b(k) (k)1 ( 1 ) 3 7 15 Cette équation (1) décrit la mesure des courant triphasés ia, i selon a, -b, -c l'étape de mesure 10 du procédé et leur transformation triphasé-diphasé statique ap, selon une transformée de Concordia. a(k) Les courants diphasés e. ip(k) obtenus sont ensuite ramenés par une 20 rotation d'un angle B à une seule mesure dans l'axe tournant estimé d, en supposant que le courant dans l'axe tournant estimé q est nul (les axes étant supposés découplés). En réalité, bien qu'on considère par approximation que le courant je/ sur l'axe q est nul, il est en pratique fonction de l'erreur e= 0 -0, C'est pourquoi 25 il est utile de mettre en oeuvre un procédé dit algorithme de poursuite (tracking algorithm en anglais) pour minimiser cette erreur de position e de sorte à récupérer la position correcte 0 du rotor. Autrement dit, le courant iq étant proportionnel à l'erreur de position e = 0 -0, on cherche la valeur d'angle 'à qui annule ce courant, dans ce cas 0 =Éj. 6 On applique alors une étape de démodulation, ici une étape de démodulation hétérodyne connue de l'homme du métier. Dans cette étape, on multiplie le courant i4 par un sin coct puis on filtre le résultat, par application d'un filtre passe-bas, ici du premier ordre, mais qui peut être aussi du deuxième 5 ordre ou de tout ordre supérieur. Ainsi, l'erreur peut être calculée par les équations (3) et (4) suivantes : e = 2sin[2(B - 0)] (3) où : Vc(Ld-Lq) (4) en ('),),,,L' 10 Ld, Lq correspondant aux inductances statoriques dans le repère d,q de la machine, Vc l'amplitude du signal injecté et toc. la pulsation du signal injecté. Or, cette fonction d'erreur E est toujours dépendante de paramètres de la 15 machine, ici des inductances statoriques Ld, Lq dans le repère d,q de la machine. Aussi, afin de rendre le procédé d'estimation indépendant des paramètres de la machine, le procédé comprend une deuxième partie 12 d'obtention d'une estimation en fonction du signal injecté, plus robuste que celles de l'art 20 antérieur. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, en référence à la figure 3, on définit un paramètre indépendant appelé paramètre estimateur u, ou plus simplement estimateur, selon l'équation suivante : o- - -r sinke-ê)] lel 1,7 sin[2(9--4)11 (5) 25 et lorsque B d (6) Tm As 40 (7) a - 1E1 - /Tao, - lao,-sign (19) 01:1 : sign (AB) = sign (0 - 0) Ainsi, l'estimateur o- obtenu est indépendant des paramètres de la machine, en particulier des valeurs d'inductances, et est découplé des caractéristiques du 30 signal injecté par rapport à l'équation (3). 7 Seul le signe de l'erreur 0 - B est requis pour estimer la position et la vitesse des machines à courant alternatif, à un instant k+1 donné, sans capteur mécanique par l'estimateur innovant (8) (9) proposé selon les équations suivantes : 5 0k+1 = ±Ts(Calc Ka sign(Ok ek)) (8) (3k+1 = (31c + TsKw sign(Ok k) (9) où sign(Ok - gi.k) = 1 Si ekjk> 0 (10) sign(Ok - êk) = Si = ° (11) 10 sign(Ok - k)= -1 si Ok REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation de la vitesse et de la position d'un rotor (20) d'une machine synchrone a rotor (20) bobiné alimenté par un réseau électrique triphasé, comprenant ; - une étape de mesure des courants triphasés ( in, ib, en entrée de la machine synchrone à rotor (20) bobiné ; - une étape de transformation des courants triphasés ( tc.) mesurées dans un repère de Park estimé (dei), comprenant un premier axe (a) et un deuxième 10 axe (d), la valeur de courant projetée (in) sur ledit deuxième axe (q) étant proportionnelle une valeur d'erreur (E) de position de mesure du rotor (20) ; - une première partie (11) comprenant . - une étape d'injection dans le réseau électrique triphasé d'un signal de tension haute-fréquence ; 15 - une étape de démodulation fonction de ladite valeur de courant projetée sur ledit deuxième axe (g) pour déterminer une valeur d'erreur (E) de position de mesure du rotor (20) ; caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième partie (12) comportant - une étape de calcul du signe (u) de l'erreur (E) de position ; 20 - une étape d'estimation de la position du rotor (fika.,) en fonction d'une paramètre de gain de position (K0), du signe (u) de l'erreur (e) calculé et indépendamment des paramètres de la machine électrique, tel que des valeurs d'inductance statoriques de la machine électrique ; et - une étape d'estimation de la vitesse du rotor (6)-k+ii) en fonction d'un paramètre de gain de vitesse (K6,) du signe (u) de l'erreur (e) calculé et indépendamment des paramètres de la machine électrique, tel que des valeurs d'inductance statoriques de la machine électrique. 2. Procédé d'estimation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape 30 d'estimation de la position du rotor (6,,,,,-1) à un instant (k+1) donné est fonction de la position estimée (iiik) à un instant précédent (k), ainsi que de la vitesse timée à l'instant précédent (k). 11 3. Procédé d'estimation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape d'estimation de la vitesse du rotor (J.si'..,) à un instant (k+1) donné est fonction de la vitesse (iiik) estimée à l'instant précédent (k). 4. Procédé d'estimation selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisé en ce qu'il met en outre une étape de calcul de l'accélération (âk.') en fonction du signe (u) de l'erreur (E) et de l'accélération (ok) estimée à l'instant précédent (k). 10 5. Procédé d'estimation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de calcul de la dynamique d'accélération (8',, ) en fonction du signe (u) de l'erreur (e) et de la valeur de dynamique d'accélération (âk) estimée à l'instant précédent (k). '5 6. Procédé d'estimation selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étape de calcul de l'accélération (k') est fonction de de la valeur de dynamique d'accélération (6) estimée à l'instant précédent (k). 20 7. Procédé d'estimation selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les paramètres de gain de position (K9) et de vitesse (K.,) sont fonction de la valeur de dynamique d'accélération (6k) estimée à l'instant précédent (k). 25 8. Procédé d'estimation selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les paramètres de gain de position (K9) et de vitesse (1{0,) sont fonction de la valeur d'accélération (6-'k) estimée à l'instant précédent (k). 9. Ensemble comprenant une machine électrique synchrone à rotor bobiné et 30 un dispositif de mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Véhicule automobile comprenant un ensemble selon la revendication 9.