Brevet FR3135845A1 — publié le 20231124

Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents (40), pourvue d’un dispositif de contrôle comportant un calculateur (100) de commande d’un onduleur (30) de pilotage des phases de ladite machine, pour laquelle ledit calculateur comporte un module estimateur de vitesse et de position angulaire (10) du rotor de ladite machine pourvu à son entrée d’un module sélecteur d’entrées (1), recevant des données numériques de tensions, ledit module sélecteur d’entrées étant piloté par une commande (SEL) de mode de fonctionnement de ladite machine, ledit module sélecteur d’entrées étant configuré pour sélectionner : - des entrées de données représentatives des tensions de commande Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd triphasées des phases A, B, C de l’onduleur (30), en mode de fonctionnement alimenté de ladite machine ; - des entrées de données représentatives de tensions mesurées Va_mes, Vb_mes, Vc_mes triphasées des phases A, B, C de ladite machine, en mode rotation libre, - des entrées de données de tensions forcées à zéro, en mode de mise en court-circuit des phases de ladite machine ; comme données d’entrée du module estimateur de vitesse et de position angulaire de ladite machine. Figure 1 Dispositif de contrôle pour une machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents L’invention relève du domaine des systèmes de commande des machines tournantes triphasées synchrone à aimants permanents telles que des moteurs sans balais, notamment des moteurs synchrones à aimants permanents pilotés par une commande à au moins trois phases tels que connus sous l’acronyme anglo-saxon PMSM et concerne plus particulièrement un procédé et un dispositif de commande d’un tel moteur sans capteurs de position ni de vitesse. Des procédés et dispositifs de contrôle sans capteurs pour machines tournantes ou moteur électriques sont connus pour des applications de pilotage à relativement forte vitesse et peu de charge résistive au démarrage. Les commandes sans capteur (ou sensorless en anglais) sont notamment efficaces en régime établi, mais comportent des faiblesses sur certains modes de fonctionnement : - En phase de rotation libre aussi appelée roue-libre, une commande sans capteur ne peut pas assurer l’estimation de la position angulaire du rotor car il n’y a pas de tension appliquée à la machine synchrone par l’onduleur, - En phase basse vitesse ou démarrage, les algorithmes sans capteur présentent des faiblesses avec risque d’instabilité et d’information erronée. Il y a donc besoin d’utiliser pour ces modes un second système d’estimation ou de mesure de la position : Pour la rotation libre, un tel second système est le plus souvent basé sur un circuit PLL permettant de recalculer vitesse et angle à partir des mesures de tensions de force électromotrice (fem) issues du moteur. Pour la basse vitesse, une autre solution est de combiner une commande basée sur la mesure de la force électromotrice à une méthode sans capteur utilisant la saillance de la machine (position extraite de Ld différent de Lq par injection de fréquence) ou bien d’utiliser un capteur de position ou encore d’utiliser une commande boucle ouverte. Problème technique Les solutions de l’état de l’art nécessitent ainsi des systèmes distincts pour reprendre la main de l’estimation ou de la mesure de la position lors des changements de mode moteur commandé / moteur rotation libre / basse vitesse, et imposent de maîtriser les transitions entre ces modes. Ces transitions impliquent des temps de reprise du contrôle non négligeable et des transitoires induites par la nécessité de convergence de chacun des systèmes au changement de mode. Ce phénomène est visible au niveau du système contrôlé, (temps de latence à la réponse d’un ordre du pilote, dépassement). Or dans le cas de systèmes moteurs utilisés pour une propulsion électrique, dans certaines phases de vols, descente et croisière notamment, le contrôle moteur doit répondre à des changements de mode fréquents, mode moteur commandé et mode moteur rotation libre notamment, et les solutions connues ne permettent pas de gérer de manière continue ces changements de mode. De même dans le cas d’un mode de type freinage par court-circuit des phases de la machine synchrone, la mesure ne peut plus prendre en compte les tensions de commande ou mesurées. Le domaine d’application concerne notamment les machines tournantes ou moteurs de plusieurs dizaines KW à centaines de KW avec plusieurs paires de pôles pour le contrôle de leur rotation. Un problème supplémentaire est que dans le cas d’un moteur avec dix secteurs électriques sur les 360° de l’arbre moteur, les dix secteurs sont eux-mêmes subdivisés en 360° électrique ce qui impose une précision angulaire très supérieure à la précision mécanique d’un capteur optique ou autre. Au vu de l’art antérieur la présente divulgation concerne un dispositif de contrôle de la rotation d’une machine tournante synchrone à aimants permanents, ou moteur sans balais, et un procédé d’estimation de position angulaire du rotor d’une telle machine offrant une disponibilité de l’information de position de ce rotor sur l’ensemble des modes opératoires de la machine et de l’onduleur pilotant cette machine, ceci sans perte d’information aux transitions entre modes. Le dispositif de contrôle selon la présente invention se comporte alors comme un dispositif pourvu d’un capteur de position virtuel. Pour ce faire, la présente divulgation propose plus précisément une machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents, pourvue d’un dispositif de contrôle comportant un calculateur de commande d’un onduleur de pilotage des phases de ladite machine, pour laquelle ledit calculateur comporte un module estimateur de vitesse et de position angulaire du rotor de ladite machine pourvu à son entrée d’un module sélecteur d’entrées, recevant des données numériques de tensions, ledit module sélecteur d’entrées étant piloté par une commande (SEL) de mode de fonctionnement de ladite machine, ledit module sélecteur d’entrées étant configuré pour sélectionner : - des entrées de données représentatives des tensions de commande Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd triphasées des phases A, B, C de l’onduleur, en mode de fonctionnement alimenté de ladite machine ; - des entrées de données représentatives de tensions mesurées Va_mes, Vb_mes, Vc_mes triphasées des phases A, B, C de ladite machine, en mode rotation libre, - des entrées de données de tensions forcées à zéro, en mode de mise en court-circuit des phases de ladite machine ; comme données d’entrée du module estimateur de vitesse et de position angulaire de ladite machine. Ce dispositif à sélecteur d’entrée permet de conserver le même algorithme d’estimation de la position électrique durant les 3 modes de fonctionnement et d’éviter ainsi l’activation et la convergence d’un nouvel estimateur lors des transitions entre modes. Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants correspondent à des modes de réalisation pouvant être mises en œuvre indépendamment les uns des autres ou en combinaison les uns avec les autres: Les données représentatives de tensions mesurées sont avantageusement des données de type tensions diphasées Vα1 et Vβ1 d’un modèle diphasé dans un repère statorique calculées au moyen d’une deuxième transformée de Clarke à partir des tensions mesurées Va_mes, Vb_mes, Vc_mes. L’utilisation d’un repère diphasé simplifie les calculs. Le module estimateur de vitesse et de position angulaire peut comporter une fonction de boucle à verrouillage de phase pour obtenir une convergence des calculs. Ce module peut en outre comporter : un sous module de matrice de Park inverse P(-θ) recevant en entrée, outre les données de tensions issues du module sélecteur, des données de courants Iα et Iβ calculés à partir des courants Ia, Ib, Ic des phases de ladite machine au moyen d’une troisième transformée de Clarke, ledit sous module de matrice de Park inverse fournissant des tensions Vδ, Vγ et des courants Iδ,Iγ dans un repère tournant rotorique d’estimation δ, γ , un sous module estimateur de force contre électromotrice FEM EST donnant des valeurs de force contre électromotrice Eδ, Eγ dans ledit repère tournant d’estimation, un sous module estimateur de vitesse SP EST ayant comme donnée de sortie une vitesse estimée, rebouclé sur le sous module estimateur de force contre électromotrice FEM EST, et un sous module estimateur d’angle ANGLE EST, ledit module estimateur de vitesse et d’angle ayant comme données de sortie une vitesse estimée SE et un angle estimé AE du rotor de ladite machine. l’angle estimé AE est distribué dans un premier module fonction mathématique de calcul d’une part, d’un courant de correction Iγ1 fb à partir des courants Ia, Ib, Ic mesurés en sortie de l’onduleur, ledit courant Iγ1 fb étant reçu sur une seconde entrée d’un premier comparateur recevant sur sa première entrée un courant calculé de consigne Iγ1 c , ledit premier comparateur étant disposé en entrée d’un premier module de contrôle de courant Iγ dont la sortie se retrouve en entrée d’un second module fonction mathématique de calcul des tensions de commandes Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd de l’onduleur et, d’autre part d’un courant de correction Iδ1 fb à partir des courants Ia, Ib, Ic mesurés en sortie de l’onduleur, ledit courant Iδ1 fb étant reçu sur une seconde entrée d’un troisième comparateur recevant sur sa première entrée un courant calculé de consigne Iδ1 c , ledit troisième comparateur étant disposé en entrée d’un deuxième module de contrôle de courant dont la sortie se retrouve en entrée du second module fonction mathématique de calcul des tensions de commandes Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd de l’onduleur. La vitesse estimée SE peut être transmise à une seconde entrée d’un deuxième comparateur, à l’entrée d’un module contrôleur de vitesse, ledit deuxième comparateur ayant comme première entrée une vitesse de consigne SC et ledit module contrôleur de vitesse étant raccordé à un module de calcul de point de fonctionnement fournissant lesdits courants de consigne Iγ1 C et Iδ1 c . Les données de tension Vα2 et Vβ2 sont préférablement issues du second module fonction mathématique. Lesdites données représentatives de tensions de commande sont avantageusement des données de type tensions diphasées Vα2 et Vβ2 d’un modèle diphasé dans un repère statorique correspondant à une première transformée de Clarke des tensions de commande Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd triphasées. Là aussi le repère diphasé permet de simplifier les calculs. La présente divulgation propose en outre un procédé d’estimation de la position électrique d’une machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents, commandée par un dispositif de contrôle décrit ci-dessus qui comporte une sélection de données d’entrée de tensions en fonction du mode de fonctionnement de ladite machine entre : les tensions de commande de ladite machine telles qu’appliquées par un onduleur de pilotage de ladite machine en fonctionnement moteur ; les tensions phase-phase du stator mesurées en sortie de l’onduleur en mode roue-libre de l’onduleur lesdites tensions étant représentatives de la force contre-électromotrice de ladite machine ; des tensions nulles en mode de fonctionnement de mise en court-circuit des phases de la machine par l’onduleur en mode freinage de la machine ; ladite sélection fournissant des données de tension pour un algorithme de calcul d’angle estimé AE et de vitesse estimée SE de ladite machine au niveau dudit module estimateur de vitesse et de position angulaire de ladite machine. Le procédé permet notamment d’estimer la position électrique (Pos_elec_est) du moteur ou machine tournante triphasée à aimant permanent (PMSM) à partir de sa Force Contre-Electromotrice (FCEM), en mode de rotation libre, avec une méthode d’extraction de la position électrique à partir de la FCEM (BEMF based position estimator en anglais). Ledit algorithme de calcul est avantageusement un algorithme de type boucle à verrouillage de phase. Ledit angle estimé AE et ladite vitesse estimée SE sont avantageusement utilisés comme données de correction de calculs de vitesse de rotation de la machine synchrone et de calculs de courants et de tensions de pilotage dudit onduleur de pilotage des phases de ladite machine au niveau dudit dispositif de contrôle. Le pilotage du moteur peut être réalisé en vitesse ou en couple. Selon un autre aspect, il est proposé un programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre de tout ou partie d’un procédé tel que défini dans les présentes lorsque ce programme est exécuté par un processeur. Selon un autre aspect de l’invention, il est proposé un support d’enregistrement non transitoire, lisible par un ordinateur, sur lequel est enregistré un tel programme. D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non limitatifs, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels : montre une vue schématique d’un exemple de système de commande d’un moteur synchrone sans balais en vitesse selon la présente divulgation; montre un exemple de réalisation d’un module de sélection et d’un estimateur de vitesse et de position angulaire applicable à l’invention; montre une vue schématique d’un exemple de système de commande d’un moteur synchrone sans balais en couple selon la présente divulgation. L’invention peut trouver à s’appliquer notamment à des systèmes a machine synchrones utilisés en traction ou en propulsion pour des véhicules terrestres, nautiques ou aériens à propulsion électrique ou pour des systèmes à machines synchrones statiques comme des moteurs d’entraînement de dispositifs industriels. L’invention ne se limite pas aux exemples décrits ci-avant, seulement à titre d’exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l’homme de l’art dans le cadre de la protection recherchée, le calculateur pouvant par exemple être réalisé en plusieurs parties séparées munies chacune d’un microcontrôleur dédié, ou être intégré dans l’onduleur. Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents (40), pourvue d’un dispositif de contrôle comportant un calculateur (100) de commande d’un onduleur (30) de pilotage des phases de ladite machine, caractérisé en ce que ledit calculateur comporte un module estimateur de vitesse et de position angulaire (10) du rotor de ladite machine pourvu à son entrée d’un module sélecteur d’entrées (1), recevant des données numériques de tensions, ledit module sélecteur d’entrées étant piloté par une commande (SEL) de mode de fonctionnement de ladite machine, ledit module sélecteur d’entrées étant configuré pour sélectionner : des entrées de données représentatives des tensions de commande Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd triphasées des phases A, B, C de l’onduleur (30), en mode de fonctionnement alimenté de ladite machine, des entrées de données représentatives de tensions mesurées Va_mes, Vb_mes, Vc_mes triphasées des phases A, B, C de ladite machine, en mode rotation libre, des entrées de données de tensions forcées à zéro, en mode de mise en court-circuit des phases de ladite machine, comme données d’entrée du module estimateur de vitesse et de position angulaire de ladite machine. Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents selon la revendication 1 pour lequel lesdites données représentatives de tensions mesurées sont des données de type tensions diphasées Vα1 et Vβ1 d’un modèle diphasé dans un repère statorique calculées au moyen d’une deuxième transformée de Clarke (3) à partir des tensions mesurées Va_mes, Vb_mes, Vc_mes. Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents selon la revendication 1 ou 2, pour lequel le module estimateur de vitesse et de position angulaire (10) comporte une fonction de boucle à verrouillage de phase et comporte : un sous module de matrice de Park inverse P(-θ) (5) recevant en entrée, outre les données de tensions issues du module sélecteur, des données de courants Iα et Iβ calculés à partir des courants Ia, Ib, Ic des phases de ladite machine au moyen d’une troisième transformée de Clarke (4), ledit sous module de matrice de Park inverse fournissant des tensions Vδ, Vγ et des courants Iδ,Iγ dans un repère tournant d’estimation δ, γ , un sous module estimateur de force contre électromotrice (6) donnant des valeurs de force contre électromotrice Eδ, Eγ dans ledit repère tournant d’estimation, un sous module estimateur de vitesse (7) ayant comme donnée de sortie une vitesse estimée, rebouclé sur le sous module estimateur de force contre électromotrice (6), et un sous module estimateur d’angle (8), ledit module estimateur de vitesse et d’angle ayant comme données de sortie une vitesse estimée SE et un angle estimé AE du rotor de ladite machine. Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents selon la revendication 3, pour lequel l’angle estimé AE est distribué dans un premier module fonction mathématique (106) de calcul d’une part d’un courant de correction Iγ1 fb à partir des courants Ia, Ib, Ic mesurés en sortie de l’onduleur, ledit courant Iγ1 fb étant reçu sur une seconde entrée d’un premier comparateur (103) recevant sur sa première entrée un courant calculé de consigne Iγ1 c , ledit premier comparateur (103) étant disposé en entrée d’un premier module de contrôle de courant (104) dont la sortie se retrouve en entrée d’un second module fonction mathématique (105) de calcul des tensions de commandes Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd de l’onduleur (30) et, d’autre part d’un courant de correction Iδ1 fb à partir des courants Ia, Ib, Ic mesurés en sortie de l’onduleur, ledit courant Iδ1 fb étant reçu sur une seconde entrée d’un troisième comparateur (108) recevant sur sa première entrée un courant calculé de consigne Iδ1 c , ledit troisième comparateur (108) étant disposé en entrée d’un deuxième module de contrôle de courant (107) dont la sortie se retrouve en entrée du second module fonction mathématique (105) de calcul des tensions de commandes Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd de l’onduleur (30). Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents selon la revendication 4, pour lequel la machine est commandée en vitesse et pour lequel la vitesse estimée SE est transmise à une seconde entrée d’un deuxième comparateur (101), à l’entrée d’un module contrôleur de vitesse (102), ledit deuxième comparateur ayant comme première entrée une vitesse de consigne SC et ledit module contrôleur de vitesse (102) étant raccordé à un module de calcul de point de fonctionnement (109) fournissant lesdits courants de consigne Iγ1 C et Iδ1 c . Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents selon la revendication 4, pour lequel la machine est commandée en couple, et pour lequel le dispositif comporte un module de transformation couple/courant (110) en entrée d’un module de calcul de point de fonctionnement (109) fournissant lesdits courants de consigne Iγ1 C et Iδ1 c . Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents selon la revendication 5 ou 6, pour lequel les données de tension Vα2 et Vβ2 sont issues du second module fonction mathématique (105). Machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 pour lequel lesdites données représentatives de tensions de commande sont des données de type tensions diphasées Vα2 et Vβ2 d’un modèle diphasé dans un repère statorique correspondant à une première transformée de Clarke (2) des tensions de commande Va_cmd, Vb_cmd, Vc_cmd triphasées. Procédé d’estimation de la position électrique d’une machine tournante triphasée synchrone à aimants permanents (40), commandée par un dispositif de contrôle selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu’il comporte une sélection de données d’entrée de tensions en fonction du mode de fonctionnement de ladite machine entre : les tensions de commande de ladite machine telles qu’appliquées par un onduleur (30) de pilotage de ladite machine en fonctionnement moteur, les tensions phase-phase du stator mesurées en sortie de l’onduleur (30) en mode roue-libre de l’onduleur lesdites tensions étant représentatives de la force contre-électromotrice de ladite machine, des tensions nulles en mode de fonctionnement de mise en court-circuit des phases de la machine (40) par l’onduleur (30) en mode freinage de la machine, ladite sélection fournissant des données de tension pour un algorithme de calcul d’angle estimé AE et de vitesse estimée SE de ladite machine au niveau dudit module estimateur de vitesse et de position angulaire de ladite machine. Procédé d’estimation selon la revendication 9, pour laquelle ledit algorithme de calcul est un algorithme de type boucle à verrouillage de phase. Procédé d’estimation selon la revendication 9 ou 10, pour laquelle ledit angle estimé AE et ladite vitesse estimée SE sont utilisés comme données de correction de calculs de vitesse de rotation de la machine synchrone et de calculs de courants et de tensions de pilotage dudit onduleur (30) de pilotage des phases de ladite machine au niveau dudit dispositif de contrôle. Procédé d’estimation selon l’une quelconque des revendications 9 à 11 pour lequel le pilotage du moteur est réalisé en vitesse ou en couple. Programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé de l’une quelconque des revendications 9 à 12 lorsque ce programme est exécuté par un processeur. Support d’enregistrement non transitoire, lisible par un ordinateur, sur lequel est enregistré le programme de la revendication 13.