Brevet FR3088505A1 — publié le 20200515

Procédé de commande par modulation de largeur d'impulsion d'un dispositif d'alimentation électrique de deux machines électriques La présente invention se rapporte à un procédé de commande par modulation de largeur d'impulsion d'un dispositif d'alimentation électrique de deux machines électriques Plus précisément l'invention concerne un procédé de commande pour une architecture de véhicule, telle que représentée en figure 1, présentant une structure comportant deux onduleurs de tension 11a, 11 b, connectés à la même source de tension 14 en entrée avec un filtre « en pi » 10 formant étage d'interface entre ces deux onduleurs 11 a, 11 b, de sorte qu'il s'agit de deux bus continus couplés. De plus, chaque onduleur 11a, 11 b alimente une machine électrique 12a, 12b de manière indépendante de l'autre, et aucun courant d'une phase de l'une des machines ne passe dans une phase de l'autre machine.. Chaque machine électrique 12a, 12b est raccordée à un des trains 13a, 13b avant ou arrière du véhicule. Un problème connu, tel qu'illustré par la Figure 2, est qu'un bus continu non amorti peut être présent dans ce type d'architecture quand la distance entre la source électrique et les composants électroniques de puissance est longue. Ainsi, on en déduit la présence de deux résonances à deux fréquences différentes. L'impact sur les onduleurs peut être négatif dans le cas où une raie d'harmonique d'un des courants absorbés par l'onduleur est proche des raies de résonance du bus DC. Or un tel impact se manifeste : - soit par des ondulations à amplitude élevée du courant absorbé par le condensateur en entrée de l'onduleur concerné. Le risque étant alors la présence des pertes par échauffement aux bornes du condensateur de découplage suite à des valeurs efficaces élevées du courant en entrée de l'onduleur de tension. 2 - soit par une ondulation de la tension continue, en entrée de l'onduleur concerné, si la valeur de la capacité est faible, tel que représenté figure 3a. Le risque étant alors le claquage des semi-conducteurs à cause des surtensions qui peuvent avoir lieu à leurs bornes. 5 Les commandes connues dans l'art antérieur de modulation par largeur d'impulsion tel que divulgué dans le document US5706186A, relatif à une commande scalaire de modulation de largeur d'impulsion, ne permettent pas d'obtenir une réduction suffisante de la sollicitation sur le bus continu d'une architecture telle que décrite ci-dessus. 10 Aussi, il existe le besoin d'une méthode pour réduire la sollicitation sur le bus continu dans le cas de la configuration illustrée par la figure 1 et figure 2. Autrement dit, il existe le besoin d'une amélioration de la qualité du signal de puissance utile (fréquemment abrégé p.u.), tel que représenté en figure 3, passant d'un cas de l'art antérieur référencé (a) vers une sollicitation telle que 15 représentée figure 3 référence (b), à titre d'exemple, en agissant uniquement sur la loi de pilotage des bras de l'onduleur, en l'espèce en agissant sur une loi de modulation de la largeur d'impulsions (abrégé MLI ou sous son nom anglophone PWM). A cet effet, on propose un procédé de commande par modulation de 20 largeur d'impulsion d'un dispositif d'alimentation électrique de deux machines électriques, le dispositif comprenant une source de tension continue, deux onduleurs de tension, un filtre en PI formant interface entre la source de tension continue et chaque onduleur ; chaque onduleur alimentant en triphasé une machine électrique distincte. 25 Le procédé comprenant pour chaque machine électrique : - Une étape de mesure des courants de ladite machine électrique ; - Une étape de définition d'une pluralité de tensions de consigne en fonction desdits courants mesurés ; - une étape de détermination d'un secteur de travail parmi une pluralité 30 de secteurs de travail en fonction de la valeur maximale parmi lesdites tensions de consigne et de la valeur minimale parmi lesdites tensions de consigne ; 3 - une étape de calcul des rapports cycliques pour chaque interrupteur de l'onduleur en fonction dudit secteur de travail déterminé et en fonction desdites tensions de consigne ; lesdits rapports cycliques étant fonction d'une première valeur d'ajustement formant premier degré de 5 liberté déterminée lors d'une sous-étape de détermination ; - le calcul d'une deuxième valeur d'ajustement formant second degré de liberté ; et - une étape de génération du signal de découpage des bras de l'onduleur de tension en fonction de la valeur de chaque rapport 10 cyclique et de la deuxième valeur d'ajustement formant second degré de liberté, par comparaison avec un signal porteuse de forme triangulaire droit. Ainsi, le procédé selon l'invention, représente une méthode vectorielle de commande par modulation de la largeur d'impulsion permettant de réduire la 15 sollicitation sur le bus continu dans une architecture à deux onduleurs, tel que décrit précédemment, par l'intégration de deux degrés de libertés sélectionnés de sorte à améliorer la qualité du signal de puissance utile. Avantageusement et de manière non limitative, lors de l'étape de sous-détermination, le premier degré de liberté p est défini dans l'intervalle [0,1] et 20 modifie les rapports cycliques de sorte que: (1 - y) a, - * ao où a, est la durée d'activation du vecteur de roue libre correspondant à la fermeture de tous les interrupteurs hauts de l'onduleur concerné et ao est la durée d'activation du vecteur de roue libre correspondant à l'ouverture de tous les interrupteurs hauts de l'onduleur concerné. 25 Ainsi, on peut choisir de manière relativement simple le secteur de travail par une simple comparaison des différentes valeurs de tension de consigne. Avantageusement et de manière non limitative, le deuxième degré de liberté dlyabe est calculé en fonction d'une valeur de pondération r selon le système suivant : dlYabc = di_ abc1 diYabc2 = 1 - dY cube. 30 avec 4 fdlyabci = 2- x dlyabc (dblabc2 = (1 - r) X diyabc et pour lequel le facteur de pondération est compris dans un intervalle fermé allant de 0 et 1 et où dycabc est le rapport cyclique de la phase a, b ou c indicée de l'onduleur concerné. Ainsi, le second degré de liberté est obtenu de manière optimale pour 5 réduire la sollicitation du bus continu. Avantageusement et de manière non limitative, le premier degré de liberté p est obtenu de manière aléatoire dans un intervalle fermé allant de 0 et 1, et le facteur de pondération T du deuxième degré de liberté dlyab, est égal à %. Ainsi, on peut obtenir de manière relativement simple les deux facteurs de 10 liberté, en fixant une valeur et en choisissant aléatoirement l'autre, dans une plage de valeurs prédéfinie. Selon une alternative de mise en oeuvre du procédé, le premier degré de liberté F comprend une valeur égale à % et en ce que le facteur de pondération T du deuxième degré de liberté dryabc est obtenu de manière aléatoire. , 15 D'une manière proche du premier mode de mise en oeuvre de l'invention, on peut obtenir de manière relativement simple les deux facteurs de liberté, en fixant une valeur et en choisissant aléatoirement l'autre, dans une plage de valeur prédéfinie. Selon une autre alternative de mise en oeuvre de l'invention, le premier 20 degré de liberté ,u est obtenu de manière aléatoire dans un intervalle fermé allant de 0 et 1, et le facteur de pondération T du deuxième degré de liberté diyab, est obtenu par application du système d'équations suivant : 1 dlya, = 7(1- dyca) +;(1 - max 1 dlyb, = 7(1- dycb) +;(1- max(dycabc)) 1 dlyci = 7(1- dycc) +; (1 - max(dycabc)) le facteur de pondération T du deuxième degré de liberté div abc étant obtenu de manière aléatoire. Ainsi cette alternative de mise en oeuvre de l'invention 25 permet de calculer les deux degrés de libertés, par un mode de calcul alternatif. L'invention concerne aussi un dispositif de commande par modulation de largeur d'impulsion d'un dispositif d'alimentation électrique de deux machines (dycabc)) 5 électriques, adapté pour mettre en oeuvre le procédé tel que décrit précédem ment. L'invention concerne aussi un ensemble moteur comprenant une source de tension continue, deux onduleurs de tension, un filtre en pi formant interface 5 entre la source de tension continue et chaque onduleur ; chaque onduleur alimentant en triphasé une machine électrique distincte, l'ensemble comprenant en outre un dispositif de commande tel que décrit précédemment. L'invention concerne aussi un véhicule automobile comprenant un ensemble moteur tel que décrit précédemment, chaque machine électrique 10 étant adaptée pour entraîner en rotation au moins une roue du véhicule automobile. 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 moteur connu de l'art antérieur ; - la figure 2 représente l'impédance équivalente du bus continu, vue en entrée de chaque onduleur de tension de la figure 1 ; 20 - la figure 3 compare un premier chronogramme (a) de la puissance utile d'un onduleur commandé par un procédé de l'art antérieur avec un deuxième chronogramme (b) de la puissance utile d'un onduleur commandé par un procédé selon l'invention ; - la figure 4 est une vue de détail d'une partie d'un ensemble moteur selon 25 l'invention ; - la figure 5 est une vue schématique de la commande par modulation de largeur d'impulsion selon l'invention ; - la figure 6 représente graphiquement les secteurs de travail obtenus en fonction des consignes de tensions obtenues en sortie du régulateur courant du 30 procédé selon l'invention ; et - la figure 7 représente 4 cas (a)-(d) de génération des impulsions de modulation de largeur d'impulsion en fonction de la valeur du deuxième degré de liberté selon différents modes de réalisation de l'invention. 6 En référence aux figures 1 et 4, un dispositif électrique comprend une source d'alimentation électrique continue 14, deux onduleurs de tension 11, 11a, 11 b, un filtre en PI 10 formant interface entre la source de tension continue 10 et chaque onduleur 11, 11a, 11b; chaque onduleur alimentant en triphasé 5 une machine électrique distincte 12, 12a, 12b. Dans la suite de la description, en référence à la figure 4, on décrira le procédé de commande pour un seul onduleur 11 et une seule machine électrique 12. Toutefois, le dispositif selon l'invention comprend deux onduleurs 11a, 11b, ou selon des alternatives de mises en oeuvre plus de deux onduleurs 10 11a, 11 b, connectés à une même interface de filtre en PI 10 pour être alimentés par une même source de tension continue 14. Chaque onduleur 11a, 1 1 b alimentant une machine électrique distincte 12a, 12b. Pour chaque couple onduleur, machine électrique 11a, 12a, 11 b, 12b, le procédé comprend des moyens de mise en oeuvre d'un procédé de commande 15 l'onduleur 11. Ces moyens de mise en oeuvre sont adaptés pour mettre en oeuvre un procédé de commande d'une machine électrique comprenant tout d'abord une étape de génération des consignes de courant 42 en fonction d'une consigne de couple 43 demandée. 20 La consigne de courant est calculée 46 en fonction d'une différence entre la consigne de couple 43 demandée et le couple mesuré 44 sur la machine électrique 12. On procède alors à une régulation de l'erreur en courant 45, fournissant des consignes de tension vjef, vjef, veref en fonction de la consigne de courant 46 25 calculée et des courants mesurés 41 sur la machine électrique 12, à travers un contrôle à l'échelle de la période fondamentale. On parle de la stabilité de la commande vis-à-vis des perturbations externes qui peuvent avoir lieu ainsi que de temps de réponse des courants mesurés vis-à-vis des courants de consigne demandés. 30 Ensuite on procède au pilotage 40 des bras de l'onduleur 11 en utilisant les consignes de tension varer, vbrer, vcre, à forme d'onde sinusoïdale, fournies par le régulateur de courant 45. 7 Dans cette partie, le pilotage 40 est réalisé à l'échelle de la période de découpage qui à travers une injection d'harmonique de tension de rang n (avec n est le nombre de phases la machine électrique) permet, d'une part, d'avoir une zone linéaire du fondamental de la tension de sortie étendue de 5 sensiblement 15% de plus à comparer avec le cas où la forme d'onde des tensions de consignes n'est pas altérée, et d'autre part, permet une amélioration des performances du système. Ceci se traduit par exemple, et de manière non limitative, par : Une réduction des pertes qui sont dues aux découpages des semi- 10 conducteurs ; - Une amélioration du taux de distorsion harmonique des courants dans la charge électrique ; - Une réduction de la sollicitation du bus continu ; - Une réduction des bruits acoustiques générés par la machine 15 électrique et des bruits CEM générés par le découpage de l'onduleur. L'objectif du procédé selon l'invention est d'obtenir un procédé de pilotage 40 à travers une stratégie de modulation de largeur d'impulsion dite MLI, ou plus communément appelé sous l'acronyme anglophone PWM, visant à réduire les sollicitations sur le bus continu ayant un filtre de type en PI et alimentant 20 deux chaînes de traction électrique indépendantes. Ainsi, on peut conserver un même procédé de pilotage 40 et la même fréquence de découpage pour les deux ensembles onduleur/machine électrique. Autrement dit, afin d'éviter d'exciter la résonance, on agit sur la 25 commande tout en maintenant constante la fréquence de découpage des onduleurs quel que soit le point de fonctionnement. Le procédé de commande comprend une première étape au cours de laquelle on détermine en fonction des consignes de tensions varef, vbref, vjef obtenues 42 en sortie du régulateur courant 45, un secteur de travail, en 30 référence à la figure 6. En référence à la figure 6, graphique (a), les secteurs de travail 1-6 correspondent à une subdivision d'un espace formé par 6 vecteurs de tensions 8 V1-V6 correspondant chacun à une tension de commande d'un semiconducteur d'un bras de l'onduleur 11. Il est connu de l'homme du métier qu'un onduleur triphasé comprend trois bras comprenant chacun deux semi-conducteurs montés en opposition l'un par 5 rapport à l'autre. Chaque vecteur de tension V1-V6 correspond à la tension obtenue par la seule ouverture d'un semi-conducteur d'un seul bras de l'onduleur de tension 11. Aussi, les vecteurs de tension V1-V6 dans le plan, selon la figure 6, sont bien connus de l'homme du métier. 10 Les secteurs de travail 1-6 définissent des zones du plan selon la figure 6, comprises entre deux vecteurs de tensions V1-V6 adjacents. Ici, on détermine le secteur de travail en fonction des consignes de tensions vjef, ve, vjef et plus particulièrement selon le tableau 1 suivant, en fonction de la plus grande max(varbe/c)consigne de tension parmi les trois , 15 consignes de tensions \tare vuref veref et , de la plus petite min(varbei;) consigne de tension parmi les trois consignes de tensions \rare,ybrefvjef Secteur de travail 1 2 3 4 5 6 Max (Va"b1C) vref Vb Vref c ref Va a Mbl,(Vref) ire( c 1 Va'ef V-ef b abc Tableau (1) Lorsque la zone de travail 1-6 est déterminée, on calcule 51 les rapports cycliques dycb, dycb, dyc, des trois phases de l'onduleur de tension 11 selon le 20 tableau 2 ci-après : Secteur de travail 1 2 3 4 5 6 dycb 1- au as + a7 a- ai + a7 1- au dycb a2 + a7 1- an -ai + a7 a7 dYcc a7 -as+ a7 1- a() -az + az az 1 - al - as 1+ al - a3 1 - Ct2 + a3 1 + ai + as 1 - ai + a3 1+ a2 - a3 Tableau (2) Dans lequel : - dycb, dycb, dyc, sont les rapports cycliques de trois phases de l'onduleur de tension tel que 0 REVENDICATIONS1. Procédé de commande par modulation de largeur d'impulsion d'un dispositif d'alimentation électrique de deux machines électriques, le dispositif comprenant une source de tension continue, deux onduleurs de tension (11a, 11b), un filtre en PI formant interface entre la source de tension continue et chaque onduleur (11a, 11b) ; chaque onduleur (11a, 11b) alimentant en triphasé une machine électrique distincte ; caractérisé en ce que le procédé comprend pour chaque machine électrique : - Une étape de mesure (41) des courants de ladite machine électrique ; - Une étape de définition (46) d'une pluralité de tensions de consigne en fonction desdits courants mesurés ; - une étape de détermination (42) d'un secteur de travail parmi une pluralité de secteurs de travail (1-6) en fonction de la valeur maximale (max(varbeici)) parmi lesdites tensions de consigne et de la valeur minimale (mtn(vGirbefc.) parmi lesdites tensions de consigne ; - une étape de calcul (51) des rapports cycliques (dycabc) pour chaque interrupteur de l'onduleur en fonction dudit secteur de travail déterminé (1-6) et en fonction desdites tensions de consigne (va"f, vbref, vjef) ; lesdits rapports cycliques (dycabc) étant fonction d'une première valeur d'ajustement formant premier degré de liberté (tu) déterminée lors d'une sous-étape de détermination (51') ; - le calcul (Si") d'une deuxième valeur d'ajustement formant second degré de liberté (dlyabc); et - une étape de génération (52) du signal de découpage des bras de l'onduleur de tension en fonction de la valeur de chaque rapport cyclique et de la deuxième valeur d'ajustement formant second degré de liberté (clivabc)' par comparaison avec un signal (70) porteuse de forme triangulaire droit. 2. Procédé de commande selon la revendication 1 caractérisé en ce que lors de l'étape de sous-détermination (51') le premier degré de liberté (p) est défini dans l'intervalle [0,1] et modifie les rapports cycliques de sorte que: 14 (1- y) a7 - * ao où a7 est la durée d'activation du vecteur de roue libre correspondant à la fermeture de tous les interrupteurs hauts de l'onduleur concerné et ao est la durée d'activation du vecteur de roue libre correspondant à l'ouverture de tous les interrupteurs hauts de l'onduleur concerné. 5 3. Procédé de commande selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le deuxième degré de liberté (dlyabc, 1 est calculé (51") en fonction d'une valeur de pondération (T) selon le système suivant : dlYabc = cilYabc1+ dlYabc2 = 1 dYcabc avec fd/Y ubel = T X dlYabc (dlYabc2 = (1 - r) x dlYabc IO et pour lequel le facteur de pondération (T) est compris dans un intervalle fermé allant de 0 et 1, et où dycab, est le rapport cyclique de la phase a, b ou c indicée de l'onduleur concerné. 4. Procédé de commande selon la revendication 3, caractérisé en ce que le 15 premier degré de liberté (t) est obtenu de manière aléatoire dans un intervalle fermé allant de 0 et 1, et le facteur de pondération (T) du deuxième degré de liberté (dlyabC) est égal à 1/2. 5. Procédé de commande selon la revendication 3, caractérisé en ce que le 20 premier degré de liberté (t) comprend une valeur égale à 1/2 et en ce que le facteur de pondération (T) du deuxième degré de liberté (dry',) est obtenu de manière aléatoire. 6. Procédé de commande selon la revendication 3, caractérisé en ce que le 25 premier degré de liberté (p) est obtenu de manière aléatoire dans un intervalle fermé allant de 0 et 1, et le facteur de pondération (T) du deuxième degré de liberté (cllya') est obtenu par application du système d'équation suivant : 15 1 dlya = ;(1 - dyca) + i (1 - MaX(dyCabc)) { 1 dlybi = 7 (1 - dycb) +;(1- max(dycabc)) 1 dly,, = ;(1 - dycj +;(1 - max(dycca,c)) le facteur de pondération (T) du deuxième degré de liberté (cuy',) étant obtenu de manière aléatoire. 7. Dispositif de commande par modulation de largeur d'impulsion d'un dispositif 5 d'alimentation électrique de deux machines électriques, adapté pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Ensemble moteur comprenant une source de tension continue (14), deux onduleurs de tension (11a, 11b), un filtre en PI (10) formant interface entre la 10 source de tension continue (14) et chaque onduleur (11a, 11b); chaque onduleur (11a, 11b) alimentant en triphasé une machine électrique (12a, 12b) distincte, l'ensemble comprenant en outre un dispositif de commande selon la revendication 7. 15 9. Véhicule automobile comprenant un ensemble moteur selon la revendication 8, chaque machine électrique (12a, 12b) étant adaptée pour entraîner en rotation au moins une roue (13a, 13b) du véhicule automobile.