Brevet FR3083863A1 — publié le 20200117

Procédé d'estimation de la vitesse et de la position d'un rotor d'une machine synchrone à rotor bobiné L'invention se rapport 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 procédés d'estimation de la position/vitesse mécanique, aussi appelés capteurs logiciels, en boucle fermée, se basant sur la seule mesure des 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 Ai, qui a pour effet de permettre une détection moins dépendante des paramètres de la machine. 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 sur la connaissance des caractéristiques de signal injecté, telles que l'amplitude et la fréquence. 2 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 synchrone à rotor bobiné. A cet effet, on propose un procédé d'estimation de la vitesse et de la 5 position d'un rotor d'une machine électrique synchrone à rotor bobiné alimenté par un onduleur triphasé, comprenant : - une étape de mesure des courants triphasés en entrée de la machine synchrone à rotor bobiné ; - une étape de transformation des courants triphasés mesurés dans un repère 10 diphasé ; - une première partie comprenant : - une étape d'injection d'un signal de tension haute-fréquence en entrée de la machine ; caractérisé en ce que la première partie comprend en outre la détermination 15 d'une valeur d'erreur de position du rotor comportant : - une deuxième étape de transformation des courants mesurés transformés dans un repère diphasé par une rotation de Tr/4 radians ; - une étape de démodulation des courants transformés par la deuxième étape de transformation comprenant un filtrage passe-haut ou passe-bande, et 20 permettant de déterminer un signal d'erreur d'estimation ; - une étape d'estimation du déphasage produit par l'accélération rotorique et par le filtrage passe-haut ou passe-bande de l'étape de démodulation pour affiner le signal d'erreur d'estimation déterminé lors de l'étape de démodulation; - une étape de séparation de la composante haute fréquence de la 25 composante basse fréquence des courants mesurés ; ladite étape de séparation étant indépendante d'un filtrage passe-bas et permettant la détermination du signe de l'erreur d'estimation de la position rotorique ; le procédé comprenant en outre une deuxième partie d'estimation pas-à-pas de la position, de la vitesse et de l'accélération rotorique, à paramètres de gains 30 découplés les uns des autres, en fonction du signe de l'erreur d'estimation obtenue. Ainsi, on peut obtenir une estimation relativement simple et robuste de la position, de la vitesse et de l'accélération du rotor bobiné, en fonction du seul 3 signe de l'erreur d'estimation obtenue, lequel est défini en fonction d'un signal d'erreur calculé à partir de l'injection d'une tension haute fréquence. Ceci permet en particulier d'obtenir des valeurs d'estimation de la position, de la vitesse et de l'accélération du rotor indépendantes les unes des autres, et plus 5 particulièrement calibrées par des gains indépendants les uns des autres. Avantageusement et de manière non limitative, l'étape de démodulation comprend un filtrage passe-haut desdits courants. Ainsi, la démodulation est relativement simple et robuste et ne génère pas de retard sur l'estimation obtenue par rapport à la position rotorique. 10 Avantageusement et de manière non limitative, l'étape d'estimation du déphasage comprend un filtrage basse-fréquence. Ainsi l'estimation du déphasage est relativement simple et performante. Avantageusement et de manière non limitative, l'étape d'estimation du déphasage comprend une boucle à verrouillage de phase. Ainsi l'estimation du 15 déphasage est asservie de manière relativement robuste. Avantageusement et de manière non limitative, l'étape de séparation de la composante haute fréquence de la composante basse fréquence des courants mesurés comprend le calcul d'un signal d'erreur d'estimation de la position rotorique définit par l'équation : E = [ sin (2(0 - ê))] cos(coct + cpco',p) 20 dans laquelle l est l'amplitude de la composante négative du courant statorique, wc la pulsation du signal haute-fréquence injecté, (P'mp le déphasage estimé, et 0 - Ô l'erreur de position rotorique. Ainsi, on peut déterminer simplement le signe de l'erreur de position rotorique à partir du signal d'erreur d'estimation, ce qui permet ensuite de 25 mettre en oeuvre la deuxième partie du procédé pour obtenir une estimation simple et robuste de la vitesse, de la position et de l'accélération du rotor. Avantageusement et de manière non limitative la deuxième partie comprend la mise en oeuvre d'au moins un filtre passe-bas. Le filtre passe-bas permet de limiter les phénomènes de broutements de la fonction signe de 30 l'erreur de position du rotor. 4 En particulier, ledit filtre passe-bas est d'ordre 4. Ainsi, un tel filtre ne génère aucun effet indésirable, tel qu'un déphasage, pour l'estimation de la vitesse de la position et de l'accélération du rotor. L'invention concerne aussi un dispositif d'estimation de la vitesse et de la 5 position d'un rotor comprenant des moyens pour mettre en oeuvre un procédé tel que décrit précédemment. L'invention concerne aussi un ensemble électrique comprenant une machine électrique synchrone à rotor bobiné, et un dispositif d'estimation tel que décrit précédemment. 10 L'invention concerne aussi un véhicule automobile comprenant un ensemble électrique 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 l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins 15 annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un ensemble de commande d'une machine électrique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique d'un procédé d'estimation selon un mode de réalisation de l'invention ; 20 - la figure 3 est une représentation d'une étape d'estimation du déphasage des courants statoriques du procédé selon le mode de réalisation de la figure 2; - la figure 4 est une représentation d'une étape de séparation haute-fréquence / basse fréquence, indépendante d'une filtre passe-bas du procédé selon le mode de réalisation de la figure 2; 25 - la figure 5 est une vue de la deuxième partie d'estimation du procédé selon le mode de réalisation de la figure 2 ; et - la figure 6 est une représentation des transformations géométriques des courants par rapport à un repère rotorique, - et la figure 7 est une représentation de l'algorithme de poursuite selon 30 l'équation (12). En référence à la figure 1, un ensemble de commande d'une machine électrique 1, par exemple ici un véhicule automobile électrique 1, comprend un 5 dispositif de consigne de couple 2, par exemple une pédale d'accélérateur 2, pour requérir un couple à la machine électrique. La consigne de couple résultat du dispositif de consigne de couple 2 est ensuite traitée par un régulateur 3 de courant, puis par un onduleur 4, afin de 5 fournir un courant de commande adapté à la machine électrique 5, ici une machine électrique synchrone à rotor bobiné 5. Afin de permettre une commande performante de la machine, il est nécessaire de connaître la position de son rotor, autrement dit sa position angulaire par rapport au stator, sa vitesse, et avantageusement son 10 accélération. A cet effet on met en oeuvre un procédé d'estimation 6. Les figures 2 à 6 se rapportant à un même mode de réalisation du procédé d'estimation selon l'invention, elles seront commentées simultanément. Le procédé d'estimation 6 de la vitesse et de la position du rotor 50 d'une machine synchrone à rotor bobiné comprend une étape de mesure 10 des 15 courants triphasés, et deux parties de procédé : une première partie 100 de traitement du signal et de démodulation et une deuxième partie 200 d'estimation de la position et de la vitesse en fonction des résultats de la première partie. Tout d'abord le procédé met en oeuvre une étape de mesure 10 des 20 courants triphasés ia, ib, it en entrée de la machine synchrone à rotor bobiné. Cette étape n'est cependant pas obligatoirement réalisée avant la première partie 100 du procédé, elle peut aussi être réalisée pendant la première partie 100 du procédé, par exemple avant qu'il ne soit nécessaire de faire appel aux valeurs de courants triphasés mesurés a i 1 -, -b , -c 25 Ensuite on procède à une transformation des courants triphasés mesurés ia, ic dans un repère diphasé ap. A cet effet on applique une transformation dans le repère rotorique 50, tel que représenté en figure 6. Aussi, à partir des courant triphasées mesurés ict, , Ç(k) ib, tc, nous déduisons le système de courants diphasés ifi(lc) mesurés par 30 application de l'équation suivante : riauo m 1 [a(k)1 Lie)] - _ l .-e3) [o 2 2 ib(k) (1) 2 - 2 it(k) 6 Cette équation (1) décrit la mesure des courant triphasés a, iqb[3, i selon une transformation 13 triphasé-diphasé statique dans un repère ici une transformée de Concordia. Afin de modéliser le comportement haute fréquence des machines 5 synchrones, on applique ensuite un modèle basé sur les deux équations suivantes : Un modèle tension-flux : (1) - Un Modèle courant-flux : = 1 -1 1 (2) 5 (LniFS 1,2111eie) 1 22 Dans lesquelles Lo = Ld+Lq 2 et Lo - dL 2 sont respectivement les 10 inductances moyenne et différentielle de la machine, Ld et Lq sont les inductances des axes d et q du repère diphasé tournant d-q, qui est le repère de Park, \/ et iss représentent les tensions et courants triphasés de la machine, respectivement vu au stator et Wss est le flux magnétique statorique de la machine), 15 Pour estimer la position, la vitesse et l'accélération des machines à courant alternatif, on met en oeuvre une technique dite technique pulsante avec un décalage de 114 sur la mesure du courant dans le repère diphasé estimé (a,-Éo , (Le repère estimé représentant le repère du Park estimé). Aussi le repère d'axes dm et qm est décalé du repère d'axes d'injection a et 4 de 14 . 20 On injecte une tension haute fréquence sur l'axe (arq) et on mesure le courant sur l'axe dm et qm Le déphasage angulaire est représenté notamment dans un repère rotorique 50 en référence à la figure 6. La technique pulsante permet d'injecter une tension haute fréquence (HF) 25 dans le repère diphasé estimé al:1y va = -V, sin(coct) , v4 = 0 (3) Où: V, est l'amplitude de la tension HF injectée ;et we est la pulsation de la tension HF injectée. 7 En référence à la figure 6, le courant i dans le repère décalé de 11 par 4 rapport au repère d'injection est obtenu comme suit : ir1 = Icp cos(wct) eiT -1 cos(t) ei(26-2)+Ti) + (4) 1 - L2V, et is' qui sont respectivement -c LoV 'en Avec , P oic(LicLi) 5 l'amplitude de la composante positive 1 l'amplitude de la composante négative 1, et la composante fondamentale du courant statorique is', 0 étant la position du rotor, et Ô la position estimée du rotor. On met alors ensuite en oeuvre une étape de démodulation 101 du signal résultant après l'injection de la tension haute-fréquence. 10 A cet effet, un filtre passe-haut, abrégé en HPF de l'anglais High-Pass Filter, ou selon une alternative un filtre passe-bande, abrégé en SFF de l'anglais Single-Frequency Filtering, est employé pour filtre le courant ir dans le repère déphasé de 'Ll4, de sorte à en supprimer la composante fondamentale Le courant haute-fréquence (iDiF) résultant est obtenu selon l'équation 15 suivante : Ce qui donne par développement trigonométrique : \f2 y 7 [ .rn _ [irdnl Ici, 7 - 71c,, [cos((2 (0 - 0) - sin(2(0 - Dans ce développement, la différence q,HF - imd,HF est utilisée pour 20 extraire le signal d'erreur d'estimation de la position (0 - Ô). L'extraction 101 du signal d'erreur d'estimation de la position (0 - Ô) correspondant à la démodulation 101 du signal. r - sq,HF ld,HF V21,' [sin (2(0 - 0))] cos(wct) (7) Le signal d'erreur d'estimation c est formalisé selon l'équation (7), or 25 l'erreur angulaire 0 - Ô entre la position du rotor et la position estimée du rotor est fonction de ce signal d'erreur d'estimation E. ;fl, _ [irdn,Hri Icp 1c11 COS((2 (0 - Ô) -H 14) 's HF - -rn 1q,HF = V2 COS(ifict) Icp 7 - 1,,, sina2(0 - Ô) + 714) (5) 's ,HF - ;m 2r2 1 - - -1 [sin (2(0 - 0)) + cos(2(0 - cl) 2 Cfl HF °))] cos(wct) (6) (j))] 8 Aussi, par l'analyse du signal d'erreur d'estimation c on pourra, tel que décrit ci-après, déduire le signe de l'erreur de position O - Ô en fonction du signe du signal d'erreur d'estimation E. Le signe de l'erreur de position O - Ô permettant de déterminer dans la deuxième partie du procédé l'estimation de la position, de la vitesse et de l'accélération rotorique. Une fois le signal d'erreur d'estimation c obtenu, selon l'équation (7), autrement dit, une fois la démodulation effectuée, on met en oeuvre une étape d'estimation du déphasage 102, tel que représenté figure 3. Les variations de la vitesse pendant les phases d'accélération de la Io machine engendrent un déphasage cpa' au niveau de la porteuse du signal (cos(wct + tacc)). L'utilisation d'un filtre passe-haut HPF dans l'étape de démodulation 101, ou selon une alternative un filtre passe-bande, abrégé en SFF de l'anglais Single-Frequency Fittering, produit aussi un déphasage aHBF b au niveau de la 15 porteuse (cos(coet + cpumF)). Par conséquent, le signal de la porteuse subit ces retards et son expression, telle que formulée précédemment à l'équation (7) devient : = A cos(wct + cpcomp) (8) avec A = -V21,' [sin (2(0 - 0))] et d) comp = (1)HBF (Pacc- 20 Pour extraire l'erreur d'estimation de la position localisée dans le terme A, on multiplie E par le terme cos(coct + Cf)comp), d'où la nécessité d'estimer le déphasage (komp. En multipliant l'erreur d'estimation de l'équation (8) par le terme sin(coct + on obtient : 25 e * sin(wct + C[3'mp) = A cos(coct + CPconip) * sin(coct + (13'nip) (9) et E * sin(wct + Cbcomp) = [sin(2ifict + Clicomp + ckomp)+ sin(ckomp - Eli'mp)] (10) en appliquant un filtre passe-bas (abrégé en LPF de l'anglais Low-Pass 30 Filter), on obtient : LPF(e*sin(wet + Clicomp)) = j2 sin(ckomp - ékomp) (11) 9 Et en appliquant à (11) un algorithme de poursuite, ici une boucle à verrouillage de phase, abrégé en PLL de l'anglais Phase Loop Lock, nous pouvons calculer l'estimation du déphasage clkomp : PLL(LPF(e * sin(oect + E13,''ne))) = PLL(12±sin(toemp - El3c,''p)) = comp 5 (12) Cette estimation du déphasage cb camp permet alors d'obtenir : CP camp = (-Kemp Et donc, COS(Cikt 41'mp)*COS(COct ifl'mp) = [COS(Wct 43'mp)]2 En effet, l'objectif de l'estimation du déphasage est de reconstruire le signal de la porteuse haute fréquence cos(nct + cT),'mp) pour obtenir le carré de 10 cette composante, carré de la porteuse (la haute fréquence) [cosenct + pcb 'ma2,ou le cpcomp est une grandeur inconnue. Les calculs précédents permettent d'estimer le déphasage cpc,,,p, qui est égal à ibcomp une fois que l'estimateur a convergé. Aussi, l'erreur d'estimation du déphasage est envoyée à des étapes de 15 poursuite et d'optimisation d'erreur (PLL), en référence à la Figure 7 pour faire converger Eb comp à comp- Ensuite on met en oeuvre une étape 103 de séparation de la composante haute fréquence de la basse fréquence, permettant d'éviter l'utilisation de filtre passe-bas (LPF). On parle alors dans la suite de la description d'étape de 20 suppression des LPF 103. L'erreur d'estimation e contenant la position de la machine a été déterminée précédemment de sorte qu'on peut l'exprimer selon l'équation suivante : e = [sin (2(0 - 0))] cos(eoct + cornp) (13) 25 En multipliant cette dernière avec le terme contenant le déphasage cos(coet + Cji'mp), on obtient : e* cos(wct + &Diu) = [ sin (2(0 - 0))] [cos(coct + ibcomp)]2 (14) 10 Dans le cadre des machines à rotor bobiné saillant, dites machines saillantes, [cos(oect + clicomp)]2 > 0 et - Ic, > 0 car Lq > La. Aussi : sign(e * cos(coct + 43,0',,p) = sign [ sin (2(0 - Ô))j [cos(coct + (13,,,,,p)]2) = sign (- sign[sin (2(0 - Ô))i *sign ([cos(coet + aicanip)12) = sign( [sin (2(0 - Ô))] (15) avec : sign[sin (2(0 - Ô))i = 1 si sin (2(0 - Ô)) > 0 (16) sign [sin (2(0 - = -1 si sin (2(0 - Ô)) Max(lej), Kw > Max(leal) et K' > 0 gains définissant une valeur positive pour borner les bruits. Ainsi, il ressort que le procédé selon l'invention assure la convergence de la dynamique d'erreur d'estimation de la position, la vitesse et l'accélération 25 (36)-(37)-(38) REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation de la vitesse et de la position d'un rotor (50) d'une machine électrique synchrone à rotor (50) bobiné alimenté par un onduleur triphasé, comprenant : - une étape de mesure des courants triphasés (Ç, ib, ic) en entrée de la machine synchrone à rotor (50) bobiné ; - une étape de transformation des courants triphasés (Ç, ib, 1) mesurés dans un repère diphasé (dît); 110 - une première partie (11) comprenant : - une étape d'injection d'un signal de tension haute-fréquence en en entrée de la machine ; caractérisé en ce que la première partie (11) comprend en outre la détermination d'une valeur d'erreur de position du rotor comportant : 15 - une deuxième étape de transformation (101) des courants mesurés transformés dans un repère diphasé (den par une rotation de Tr/4 radians ; - une étape de démodulation (101) des courants transformés par la deuxième étape de transformation (101) comprenant un filtrage passe-haut ou passe-bande, et permettant de déterminer un signal d'erreur d'estimation (E) ; 20 - une étape d'estimation (102) du déphasage (4),,,,,p) produit par l'accélération rotorique et par le filtrage passe-haut ou passe-bande de l'étape de démodulation (101) pour affiner le signal d'erreur d'estimation (E) déterminé lors de l'étape de démodulation (101) ; - une étape de séparation (103) de la composante haute fréquence de la 25 composante basse fréquence des courants mesurés ; ladite étape de séparation (103) étant indépendante d'un filtrage passe-bas et permettant la détermination du signe de l'erreur d'estimation de la position rotorique ; le procédé comprenant en outre une deuxième partie (12) d'estimation pas-à- 30 de la position, de la vitesse et de l'accélération rotorique, à paramètres de gains découplés les uns des autres, en fonction du signe de l'erreur d'estimation obtenue. 14 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de démodulation (101) comprend un filtrage passe-haut desdits courants. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape 5 d'estimation (102) du déphasage comprend un filtrage basse-fréquence. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape d'estimation (102) du déphasage comprend une boucle à verrouillage de phase. m 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape de séparation (103) de la composante haute fréquence de la basse fréquence des courants mesurés comprend le calcul d'un signal d'erreur d'estimation de la position rotorique définit par l'équation : E = [ sin (2(0 - 0))] cos(wct + (1) comp) dans laquelle 1,, est l'amplitude de la composante négative du courant 15 statorique, we la pulsation du signal haute-fréquence injecté, et do comp le déphasage estimé (102) et (0 - Ô) l'erreur de position rotorique. 6. Procédé selon la revendication l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la deuxième partie (12) comprend la mise en oeuvre d'au 20 moins un filtre passe-bas. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit filtre passe-bas est d'ordre 4. 25 8. Dispositif d'estimation de la vitesse et de la position d'un rotor comprenant des moyens pour mettre en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9. Ensemble électrique comprenant une machine électrique synchrone à rotor 30 bobiné, et un dispositif d'estimation selon la revendication 8. 15 10. Véhicule automobile comprenant un ensemble électrique selon la revendication 9. 5