Brevet FR3131992A1 — publié le 20230721

La présente invention concerne un procédé et un système de commande d’une machine électrique (MEL) pilotée par un onduleur (OND), dans lequel on détermine la commande de l’onduleur. Le procédé et le système de commande selon l’invention mettent en œuvre un modèle de contrôle (MCO) qui calcule les consignes de courant en fonction de la consigne de couple ou de la consigne de vitesse et d’autres variables de fonctionnement (VAF) dont une variable de fonctionnement corrigée (VAR corr ). La correction de cette variable de fonctionnement est mise en œuvre au moyen d’une boucle de rétroaction asservissant la tension de commande de la machine électrique à une valeur prédite (PRE) de cette tension de commande. Puis, l’invention met en œuvre, en fonction du régime de fonctionnement (RFT) de la machine électrique, un asservissement complet (2PI) ou un asservissement à tension fixe (1PI) pour déterminer les consignes de tension. Figure 1 à publier Procédé et système de commande d’une machine électrique pilotée par un onduleur pourvu de plusieurs bras de commutation avec deux méthodes d’asservissement La présente invention concerne un procédé de commande d’une machine électrique tournante, de préférence une machine électrique synchrone, par exemple du type synchro-reluctante ou synchrone à aimants permanents. L’invention concerne également un système de commande mettant en œuvre un tel procédé. Il est connu d’avoir recours à des machines électriques tournantes telles que des machines électriques synchrones à aimants permanents ou des machines synchro-réluctantes, en particulier des machines synchro-réluctantes assistées d’aimants permanents. De telles machines électriques sont, par exemple, utilisées dans le domaine de la propulsion, par exemple pour la génération de couples moteurs à bord d’un véhicule tel qu’un véhicule automobile. Le document FR 3 051 296 A1 décrit, par exemple, une machine synchro-réluctante assistée d’aimants permanents. Un procédé de commande d’une telle machine électrique comprend généralement le calcul de courants et de tensions dits « directs » et « en quadrature » (également appelé « quadratique »), qui sont des courants et des tensions exprimés dans un repère tournant lié au rotor, et la mise en œuvre d’un ou plusieurs asservissements, afin de déterminer les tensions à appliquer à chaque phase de la machine tournante. Dans le cas de la mise en œuvre de deux asservissements, l’un peut porter sur les grandeurs dites « directes », et l’autre peut porter sur les grandeurs dites « en quadrature », Par conséquent, déterminer les composantes référentielles (appelées également consignes), directes et en quadrature du courant de stator est une étape cruciale à ce niveau, et ceci afin de garantir un niveau optimal de performance de la machine électrique. La complexité de la détermination du courant de référence dépend en effet de la nature de la machine utilisée : - Pour une machine synchrone à pôles lisses et non saturée magnétiquement, les composantes directe et quadratique du courant peuvent s’obtenir d’une manière linéaire et directe du couple demandé, et - Pour d’autres machines, telles que les machines synchro-reluctante saturées magnétiquement, l’obtention des composantes de référence du courant de stator fait appel à des méthodes plus sophistiquées et plus complexes. En outre, la détermination des composantes référentielles, directe et en quadrature du courant de stator dépend de l’atteinte ou non d’un régime dit « de saturation de tension ». Lorsqu’un tel régime est atteint, il est encore possible d’accroître la vitesse de rotation du rotor de la machine tout en limitant significativement la décroissance du couple mécanique fourni par la machine tournante, et ce en réalisant une opération appelée « défluxage ». Par « régime de saturation de tension », il est entendu, au sens de la présente invention, une situation dans laquelle tension appliquée aux bornes de la machine tournante devient égale à une tension maximale disponible, dont la valeur dépend notamment de l’installation électrique à laquelle la machine tournante est raccordée, de sorte qu’il n’est plus possible d’augmenter la tension d’alimentation de la machine tournante. Par « défluxage », il est entendu, au sens de la présente invention, un procédé de commande d’une telle machine électrique, comprenant une injection de courant au niveau des phases, c’est-à-dire des enroulements, du stator de la machine tournante afin de compenser, au moins en partie, le champ magnétique généré par les aimants du rotor de ladite machine électrique tournante. On distingue également en général deux « régimes de saturation de tension », selon la valeur de la tension phase à phase maximale appliquée aux bornes de la machine tournante : les régimes « linéaire » et de « surmodulation » Par régime de saturation de tension « linéaire » il est entendu une situation où l’amplitude maximale de la tension phase à phase de la machine électrique est environ égale à celle de l’installation électrique à laquelle la machine tournante est raccordée, dite « tension de bus ». Par régime de saturation de tension de « surmodulation », il est entendu une situation où l’amplitude maximale de la tension phase à phase de la machine électrique est strictement supérieure à la tension de bus. La valeur de la tension phase à phase la plus élevée atteignable dans ce régime de surmodulation correspond à une commande dite « en pleine onde », et est égale classiquement à fois la tension de bus. Le régime de « surmodulation » permet, par une meilleure utilisation de tension de bus, de limiter l’injection additionnelle de courant de défluxage. Ainsi, on améliore, en général, le rendement et la performance maximale de la machine électrique. En régime de fonctionnement non saturé en tension, on utilise en général une méthode d’asservissement « complet » (appelée aussi méthode d’asservissement à deux dimensions ou méthode d’asservissement à deux degrés de liberté). En effet, l’asservissement des composantes « directe » et « en quadrature » des courants peut se réaliser complétement, par exemple par la mise en œuvre de deux asservissements, l’un portant sur les grandeurs dites « directes », et l’autre portant sur les grandeurs dites « en quadrature », afin de déterminer les tensions « directe » et « en quadrature », puis celles à appliquer à chaque phase de la machine tournante. Cependant, lorsque l’on se trouve en régime de « saturation de tension », les composantes « directe » et « en quadrature » des tensions ne sont plus complétement indépendantes car leur somme quadratique est contrainte par la tension maximale autorisée. Pour un fonctionnement en régime de saturation « linéaire », ou proche de celui-ci, une méthode d’asservissement « complet », telle que décrite ci-dessus peut encore permettre le pilotage de la machine électrique. En revanche, en régime de « surmodulation », cette méthode ne permet plus le pilotage correct de la machine électrique, particulièrement dans la situation où l’on souhaite approcher la commande dite en pleine onde. Dans ce cas, la somme quadratique des composantes « directe » et « en quadrature » des tensions est complétement déterminée, et il ne reste plus qu’un seul degré de liberté pour choisir la tension de commande. Il est alors nécessaire de mettre en place une méthode d’asservissement alternative des courants du stator. On utilise en général une méthode d’asservissement « à tension fixe » (également appelée méthode d’asservissement à une dimension ou méthode d’asservissement à un degré de liberté). En effet, on peut par exemple fixer la somme quadratique des composantes « directe » et « en quadrature » des tensions, et utiliser le degré de liberté restant pour asservir soit la composante « directe » des courants du stator, soit leur composante « en quadrature », soit encore toute autre variable calculée à partir des courants du stator. Ainsi, en régime de « surmodulation », il n’est plus possible d’asservir à la fois les composantes « directe » et « en quadrature » des courants du stator. Ce type de méthode d’asservissement alternative, dite « à tension fixe », qui fonctionne de manière générale en régime de « saturation de tension », n’est donc pas pertinent en dehors de ce régime de fonctionnement particulier. En conséquence, un procédé de commande d’une machine électrique doit généralement comporter deux méthodes d’asservissements différentes, utilisées selon que l’on se situe en régime de « surmodulation » ou en dehors du régime de « saturation de tension ». En régime de « saturation de tension linéaire », les deux méthodes d’asservissement, « complet » ou « à tension fixe » peuvent être utilisées au choix. La demande de brevet FR3089368 décrit un tel procédé de commande de machine électrique, et divulgue en particulier une mise en œuvre d’une méthode d’asservissement à tension fixe. Selon que l’on utilise la méthode d’asservissement « complet » des courants de stator ou celle « à tension fixe », les conséquences d’une détermination non optimale des composantes référentielles directe et en quadrature des courants de stator varient grandement. Dans le cas de la méthode d’asservissement « complet », il est courant d’obtenir une tension de commande dont l’amplitude n’est pas celle anticipée lors de l’étape de détermination des composantes référentielles des courants de stator. Si l’amplitude de tension obtenue est inférieure à celle qui est anticipée et que l’on se trouve en régime de saturation de tension, le rendement ou la performance maximale de la machine électrique sont négativement impactés. Si l’amplitude de tension obtenue est supérieure à celle qui est anticipée et que l’on se trouve en régime de saturation de tension, elle est donc supérieure à l’amplitude maximale autorisée et n’est donc pas réalisable. Dans le cas de la méthode d’asservissement « à tension fixe », l’amplitude de la tension de commande est par définition correctement appliquée. En revanche, les composantes référentielles directe et en quadrature des courants de stator n’étant pas simultanément asservies, au moins l’une d’entre elles n’est pas obtenue dans le cas général, ce qui conduit à une erreur de réalisation de couple. L’invention a pour but de contrôler une machine électrique tournante pour tout régime de fonctionnement : hors du régime de saturation de tension, et en régime de saturation de tension, y compris en régime de surmodulation. L’invention a notamment pour but de garantir simultanément deux objectifs : Une utilisation optimale de la tension de bus, permettant l’amélioration du rendement de la machine électrique et/ou de la performance maximale de la machine électrique, y compris en cas de calcul imparfait des consignes de courant optimales, quand l’asservissement est « complet », et Une amélioration de la précision de couple réalisé, grâce à l’obtention maîtrisée d’un binôme de composantes directe et en quadrature des courants, quand l’asservissement est « à tension fixe ». Dans ces buts, la présente invention concerne un procédé et un système de commande d’une machine électrique pilotée par un onduleur, dans lequel on détermine la commande de l’onduleur. Le procédé et le système de commande selon l’invention mettent en œuvre un modèle de contrôle qui calcule les consignes de courant en fonction de la consigne de couple ou de la consigne de vitesse et d’autres variables de fonctionnement dont une variable de fonctionnement corrigée. La correction de cette variable de fonctionnement est mise en œuvre au moyen d’une boucle de rétroaction asservissant la tension de commande de la machine électrique à une valeur prédite de cette tension de commande. Puis, l’invention met en œuvre, en fonction du régime de fonctionnement de la machine électrique, un asservissement complet ou un asservissement à tension fixe pour déterminer les consignes de tension. L’invention concerne un procédé de commande d’une machine électrique pilotée par un onduleur pourvu de plusieurs bras de commutation, dans lequel on met en œuvre les étapes suivantes : On acquiert une consigne de couple de ladite machine électrique ; On acquiert une consigne ou une mesure d’au moins une variable de fonctionnement de ladite machine électrique ; On détermine un paramètre de correction d’une variable de fonctionnement en fonction d’une prédiction de tension absolue dépendante des courants dans les phases de ladite machine électrique, et en fonction de consignes de tension ; On détermine des consignes de courant de ladite machine électrique au moyen d’un modèle de contrôle qui relie ladite consigne de couple, ladite au moins une variable de fonctionnement, et lesdites consignes de courant de ladite machine électrique, une variable de fonctionnement étant corrigée au moyen dudit paramètre de correction ; On détermine un régime de fonctionnement de ladite machine électrique, et on détermine une méthode d’asservissement desdites consignes de courant en fonction dudit régime de fonctionnement de ladite machine électrique, ladite méthode d’asservissement reliant lesdites consignes de tension auxdites consignes de courant, de préférence on détermine ladite méthode d’asservissement parmi deux méthodes d’asservissement ; On applique ladite méthode d’asservissement déterminée auxdites consignes de courant pour déterminer lesdites consignes de tension ; On détermine un signal de commande de commutation dudit onduleur au moyen desdites consignes de tension ; et On commande ledit onduleur au moyen dudit signal de commande. Selon un mode de réalisation, ledit modèle de contrôle est une cartographie qui relie ladite consigne de couple, lesdites variables de fonctionnement et lesdites consignes de courant. Conformément à une mise en œuvre, on détermine, par un estimateur, ladite prédiction de tension absolue au moyen de mesures desdits courants dans lesdites phases de ladite machine électrique. Selon un aspect, on détermine ladite méthode d’asservissement par comparaison d’un indice de modulation cible à un seuil. Selon une configuration, ladite méthode d’asservissement est choisie parmi une méthode d’asservissement complet ou une méthode d’asservissement à tension fixe. Avantageusement, si ledit indice de modulation cible est supérieur audit seuil, on applique ladite méthode d’asservissement à tension fixe. De manière avantageuse, ladite méthode d’asservissement complet met en œuvre deux régulateurs proportionnel intégral, et ladite méthode d’asservissement à tension fixe met en œuvre un unique régulateur proportionnel intégral. De préférence, l’unique régulateur proportionnel intégral de ladite méthode d’asservissement à tension fixe détermine la consigne de tension en quadrature au moyen de la formule : avec ladite consigne de tension en quadrature, K’ p,q et K’ i,q des coefficients prédéterminés de l’unique régulateur proportionnel intégral, i 0 une grandeur définie par , i ref une grandeur définie par , t 0 un instant initial prédéterminé, t f un instant final prédéterminé ultérieur à l’instant initial, i d et i q respectivement un courant direct mesuré et un courant en quadrature mesuré, , respectivement une consigne de courant direct et une consigne de courant en quadrature. Avantageusement, on détermine la consigne de tension directe au moyen de la formule : avec la consigne de tension directe, v smax est une tension limite définie par la formule pour une machine électrique pour laquelle les bobinages des phases sont montés en étoile, ou par la formule pour une machine électrique pour laquelle les bobinages des phases sont montés en triangle, U smax étant défini par avec m ledit indice de modulation prédéterminé de l’onduleur et V DC la tension de bus continue alimentant ledit onduleur. Selon une option de réalisation, ledit régime de fonctionnement de ladite machine électrique est déterminé parmi un régime de fonctionnement sans saturation de tension, un régime de fonctionnement de saturation de tension de surmodulation ou un régime de fonctionnement de saturation de tension linéaire. Conformément à un mode de réalisation, on détermine ledit paramètre de correction en mettant en œuvre les étapes suivantes : On détermine une prédiction de tension absolue (v abs pred ) ; On acquiert lesdites consignes de tension (V d sp , V q sp ) ; On calcule une tension absolue de consigne par la formule : , V d sp et V q sp étant respectivement les consignes de tension directe et en quadrature ; On compare ladite prédiction de tension absolue (v abs pred ) à ladite tension absolue de consigne (v abs sp ) ; et On en déduit ledit paramètre de correction (Pco) à partir de ladite comparaison. Selon une mise en œuvre, on détermine ledit signal de commande de commutation au moyen d’un contrôle vectoriel. Conformément à un aspect, ladite variable de fonctionnement corrigée est la vitesse de rotation de ladite machine électrique, la tension de bus continue de l’onduleur ou la norme de la tension de commande maximale de l’onduleur. De plus, l’invention concerne un système de commande d’une machine électrique comprenant un onduleur pourvu de bras de commutation, un calculateur et une mémoire configurée pour mettre en œuvre les étapes du procédé de commande selon l’une des caractéristiques précédentes pour commander ledit onduleur, de préférence ladite machine électrique est une machine synchro-reluctante assistée par des aimants permanents ou une machine synchrone à aimants permanents. D'autres caractéristiques et avantages du système et du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. Liste des figures La illustre le système de commande selon un mode de réalisation de l’invention. La illustre les étapes du procédé de commande selon un premier mode de réalisation de l’invention. La illustre les étapes du procédé de commande selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. La illustre, pour un premier exemple, le fonctionnement d’un mode de réalisation de l’invention. La illustre, pour un deuxième exemple, le fonctionnement d’un mode de réalisation de l’invention. La illustre, pour un troisième exemple, le fonctionnement d’un mode de réalisation de l’invention. La illustre, pour un quatrième exemple, le fonctionnement d’un mode de réalisation de l’invention. Procédé de commande d’une machine électrique (MEL) pilotée par un onduleur (OND) pourvu de plusieurs bras de commutation, dans lequel on met en œuvre les étapes suivantes : On acquiert une consigne de couple (Cem*) de ladite machine électrique (MEL) ; On acquiert une consigne ou une mesure d’au moins une variable de fonctionnement (VAF) de ladite machine électrique (MEL) ; On détermine un paramètre de correction (Pco) d’une variable de fonctionnement (VAF) en fonction d’une prédiction (PRE) de tension absolue dépendante des courants dans les phases de ladite machine électrique, et en fonction de consignes de tension V d sp et V q sp ; On détermine des consignes de courant i d sp et i q sp de ladite machine électrique (MEL) au moyen d’un modèle de contrôle (MCO) qui relie ladite consigne de couple (Cem*), ladite au moins une variable de fonctionnement (VAF), et lesdites consignes de courant i d sp et i q sp de ladite machine électrique, une variable de fonctionnement (VAR corr ) étant corrigée au moyen dudit paramètre de correction (Pco) ; On détermine un régime de fonctionnement (RFT) de ladite machine électrique (MEL), et on détermine une méthode d’asservissement (1PI ; 2PI) desdites consignes de courant i d sp et i q sp en fonction dudit régime de fonctionnement (RFT) de ladite machine électrique (MEL), ladite méthode d’asservissement reliant lesdites consignes de tension auxdites consignes de courant i d sp et i q sp , de préférence on détermine ladite méthode d’asservissement parmi deux méthodes d’asservissement (1PI ; 2PI) ; On applique ladite méthode d’asservissement (1PI ; 2PI) déterminée auxdites consignes de courant i d sp et i q sp pour déterminer lesdites consignes de tension V d sp , V q sp ; On détermine un signal de commande de commutation dudit onduleur (OND) au moyen desdites consignes de tension ; et On commande ledit onduleur (OND) au moyen dudit signal de commande. Procédé de commande selon la revendication 1, dans lequel ledit modèle de contrôle (MCO) est une cartographie qui relie ladite consigne de couple (Cem*), lesdites variables de fonctionnement (VAF) et lesdites consignes de courant i d sp et i q sp . Procédé de commande selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on détermine, par un estimateur, ladite prédiction (PRE) de tension absolue au moyen de mesures desdits courants dans lesdites phases de ladite machine électrique (MEL). Procédé de commande selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on détermine ladite méthode d’asservissement (1PI ; 2PI) par comparaison d’un indice de modulation cible (m) à un seuil. Procédé de commande selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite méthode d’asservissement est choisie parmi une méthode d’asservissement complet (2PI) ou une méthode d’asservissement à tension fixe (1PI). Procédé de commande selon les revendications 4 et 5, dans lequel si ledit indice de modulation cible (m) est supérieur audit seuil, on applique ladite méthode d’asservissement à tension fixe (1PI). Procédé de commande selon l’une des revendications 5 ou 6, dans lequel ladite méthode d’asservissement complet (2PI) met en œuvre deux régulateurs proportionnel intégral, et ladite méthode d’asservissement à tension fixe (1PI) met en œuvre un unique régulateur proportionnel intégral. Procédé de commande selon la revendication 7, dans lequel l’unique régulateur proportionnel intégral de ladite méthode d’asservissement à tension fixe (1PI) détermine la consigne de tension en quadrature au moyen de la formule : avec ladite consigne de tension en quadrature, K’ p,q et K’ i,q des coefficients prédéterminés de l’unique régulateur proportionnel intégral, i 0 une grandeur définie par , i ref une grandeur définie par , t 0 un instant initial prédéterminé, t f un instant final prédéterminé ultérieur à l’instant initial, i d et i q respectivement un courant direct mesuré et un courant en quadrature mesuré, , respectivement une consigne de courant direct et une consigne de courant en quadrature. Procédé de commande selon la revendication 8, dans lequel on détermine la consigne de tension directe au moyen de la formule : avec la consigne de tension directe, v smax est une tension limite définie par la formule pour une machine électrique pour laquelle les bobinages des phases sont montés en étoile, ou par la formule pour une machine électrique pour laquelle les bobinages des phases sont montés en triangle, U smax étant défini par avec m ledit indice de modulation prédéterminé de l’onduleur et V DC la tension de bus continue alimentant ledit onduleur. Procédé de commande selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit régime de fonctionnement (RFT) de ladite machine électrique est déterminé parmi un régime de fonctionnement sans saturation de tension, un régime de fonctionnement de saturation de tension de surmodulation ou un régime de fonctionnement de saturation de tension linéaire. Procédé de commande selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on détermine ledit paramètre de correction (Pco) en mettant en œuvre les étapes suivantes : On détermine une prédiction de tension absolue (v abs pred ) ; On acquiert lesdites consignes de tension (V d sp , V q sp ) ; On calcule une tension absolue de consigne par la formule : , V d sp et V q sp étant respectivement les consignes de tension directe et en quadrature ; On compare ladite prédiction de tension absolue (v abs pred ) à ladite tension absolue de consigne (v abs sp ) ; et On en déduit ledit paramètre de correction (Pco) à partir de ladite comparaison. Procédé de commande selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on détermine ledit signal de commande de commutation au moyen d’un contrôle vectoriel (SVM). Procédé de commande selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite variable de fonctionnement corrigée (VAR corr ) est la vitesse de rotation de ladite machine électrique, la tension de bus continue de l’onduleur ou la norme de la tension de commande maximale de l’onduleur. Système de commande d’une machine électrique (MEL) comprenant un onduleur (OND) pourvu de bras de commutation, un calculateur et une mémoire configurée pour mettre en œuvre les étapes du procédé de commande selon l’une des revendications précédentes pour commander ledit onduleur (OND), de préférence ladite machine électrique (MEL) est une machine synchro-reluctante assistée par des aimants permanents ou une machine synchrone à aimants permanents.