La présente invention se rapporte à un procédé de commande mis en œuvre dans un convertisseur de puissance connecté à un moteur électrique de type synchrone à aimants permanents et permettant d'identifier des paramètres liés à la saturation magnétique du moteur électrique. Le procédé de l'invention permet également d'employer lesdits paramètres lors de la commande du moteur électrique.

Aujourd'hui, dans les convertisseurs de puissance de type variateur de vitesse, la saturation magnétique n'est souvent pas prise en compte dans les modèles des moteurs électriques employés pour le contrôle ou l'identification des paramètres du moteur. Dans la plupart des variateurs actuels, il existe cependant la possibilité de régler un paramètre permettant d'optimiser le couple de sortie en cas de saturation magnétique du moteur électrique. Ce paramètre correspond à une correction d'angle fixée par défaut et appliquée lors de l'exécution de la commande.

Le document JP2010246318 décrit une solution pour optimiser le couple en cas de saturation magnétique. Cette solution consiste à corriger le courant de flux et le courant de couple en tenant compte d'une courbe de saturation fonction de l'inductance mutuelle entre le rotor et le stator. Ce document ne propose pas de solution permettant d'identifier des paramètres liés à la saturation magnétique du moteur électrique.

La publication intitulée " Measurement and Adaptative Decoupling of Cross Saturation Effects and Secondary Saliencies in Sensorless-Controlled IPM Synchronous Machines" (David Reigosa et al. - XP031 146253, ISBN :978-1 -4244- 1259-4) présente les effets de la saturation magnétique dans les machines synchrones. La méthode proposée dans ce document repose sur des réseaux de neurones. Cette méthode requiert beaucoup de calculs et est donc difficile à mettre en œuvre.

Il est connu de la publication intitulée "Improved Rotor Position Estimation by Signal Injection Brushiess AC Motors, Accounting for Cross-Coupling Magnetic Saturation" (Li Y et Al - XP031 146247, ISBN : 978-1 -4244-1259-4) une méthode permettant de déterminer l'influence de la saturation magnétique mutuelle ("cross- coupling") entre le rotor et le stator du moteur. Cette méthode s'applique à un moteur sans balai ("brushless") et n'est pas adaptable sur un moteur électrique synchrone à aimants permanents. En effet, pour pouvoir contrôler un moteur électrique synchrone à aimants permanents, il est nécessaire de caractériser tous les phénomènes de saturation magnétique, c'est-à-dire la saturation magnétique mutuelle entre le stator et le rotor mais aussi les saturations magnétiques intrinsèques du rotor et du stator.

Le but de l'invention est de proposer un procédé de commande simple et fiable pour identifier des paramètres liés à la saturation magnétique d'un moteur électrique synchrone à aimants permanents, en vue de les utiliser ultérieurement pour optimiser le couple en cas de saturation magnétique. Le procédé de l'invention permet d'identifier les paramètres liées à la saturation magnétique mutuelle mais également liés à la saturation intrinsèque du rotor et du stator.

Ce but est atteint par un procédé de commande mis en œuvre dans un convertisseur de puissance comportant un onduleur connecté à un moteur électrique (M) synchrone à aimants permanents, ledit moteur électrique étant modélisé dans le convertisseur de puissance par un modèle mathématique des courants du moteur électrique exprimant un courant de flux et un courant de couple en fonction de paramètres de saturation magnétique. Le procédé de commande comporte :

- une étape d'application au moteur électrique d'une séquence de tension comportant un signal en tension statique et un signal en tension à haute fréquence suivant l'axe du flux et/ou l'axe du couple du moteur, entraînant une oscillation du courant sur l'axe du flux et/ou sur l'axe du couple, - une étape de mesure de l'oscillation du courant obtenue sur l'axe du flux et/ou sur l'axe du couple,

- une étape de détermination des paramètres de saturation magnétique en fonction de ladite oscillation du courant.

Pour déduire les paramètres de saturation magnétique, la méthode mise en œuvre dans l'invention s'avère particulièrement simple car elle ne nécessite qu'un calcul élémentaire. Elle est réalisée à l'arrêt et sans employer de capteur de position. Les tensions injectées n'entraînent pas de rotation du moteur. Selon une particularité, l'étape de détermination des paramètres de saturation magnétique comporte une étape d'extraction de l'amplitude de l'oscillation du courant obtenue.

Selon une autre particularité, l'étape de détermination des paramètres de saturation magnétique comporte une étape d'estimation desdits paramètres de saturation magnétique en fonction de l'amplitude de l'oscillation du courant obtenue.

Selon une autre particularité, la séquence de tension comporte :

- une étape d'application d'un signal en tension statique sur l'axe du couple et d'un signal en tension à haute fréquence sur l'axe du flux, ou - une étape d'application d'un signal en tension statique sur l'axe de flux et d'un signal en tension à haute fréquence sur l'axe du couple. Selon une autre particularité, le modèle mathématique du moteur électrique est de type Hamilton-Lagrange.

Selon une autre particularité, le procédé comporte une étape d'utilisation desdits paramètres de saturation pour déterminer une correction sur l'erreur d'angle existant entre la position d'un repère de commande défini par l'axe de flux et l'axe de couple et une position du rotor du moteur électrique.

Selon une autre particularité, ladite correction est appliquée à l'erreur d'angle. Selon une variante de réalisation, la correction est appliquée à un courant de flux de référence et à un courant de couple de référence déterminés en entrée de la loi de commande.

L'invention concerne un convertisseur de puissance comportant un onduleur connecté à un moteur électrique synchrone à aimants permanents, ledit moteur électrique étant modélisé dans le convertisseur de puissance par un modèle mathématique des courants du moteur électrique exprimant un courant de flux et un courant de couple en fonction de paramètres de saturation magnétique. Le convertisseur de puissance comporte des moyens de commande agencés pour appliquer au moteur électrique une séquence de tension comportant un signal en tension statique et un signal en tension à haute fréquence suivant l'axe du flux et/ou l'axe du couple du moteur, en vue d'entraîner une oscillation du courant sur l'axe du flux et/ou sur l'axe du couple, des moyens de mesure de l'oscillation du courant obtenue sur l'axe du flux et/ou sur l'axe du couple, des moyens de détermination des paramètres de saturation magnétique en fonction de ladite oscillation du courant. Ce convertisseur de puissance est par exemple un variateur de vitesse. D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels :

- les figures 1 A à 1 C, 2A à 2C, 3A à 3C et 4A à 4C représentent sous forme de graphiques, respectivement, les séquences de tension appliquées permettant d'identifier les paramètres liés à la saturation magnétique du moteur électrique, les réponses en courant obtenues et l'expression des amplitudes des oscillations,

- les figures 5A et 5B représentent de manière simplifiée une injection d'un signal en tension haute fréquence et l'oscillation de courant obtenue,

- la figure 6 représente un synoptique de contrôle employant les paramètres liés à la saturation magnétique du moteur électrique.

L'invention concerne un procédé de commande mis en œuvre dans un convertisseur de puissance de type variateur de vitesse connecté à un moteur électrique M synchrone à aimants permanents (appelé "PMSM").

De manière connue, un convertisseur de puissance de type variateur de vitesse est connecté en amont à un réseau électrique et en aval au moteur électrique. Le variateur de vitesse comporte :

- en entrée, un module redresseur composé en règle générale d'un pont de diodes destiné à redresser la tension alternative fournie par le réseau électrique,

- un bus continu d'alimentation sur lequel est appliquée la tension redressée par le module redresseur, le bus continu d'alimentation étant doté d'un condensateur de bus permettant de maintenir la tension du bus à une valeur constante,

en sortie, un module onduleur INV destiné à transformer la tension du bus continu en une tension variable à appliquer au moteur électrique M.

Le module onduleur INV est commandé en employant une loi de commande déterminée exécutée par des moyens de commande. La loi de commande consiste à calculer les tensions à appliquer au moteur électrique en fonction d'une consigne de vitesse statorique à donner au moteur électrique.

La figure 6 représente, sous forme d'un synoptique, une loi de commande applicable à un module onduleur INV pour la commande d'un moteur électrique M. Selon l'invention, ce synoptique intègre la prise en compte de la saturation magnétique du moteur électrique et permet d'optimiser le couple appliqué au moteur en cas de saturation magnétique du moteur électrique.

Pour tenir compte de la saturation magnétique dans la loi de commande, l'invention consiste à déterminer préalablement des paramètres liés à la

saturation magnétique du moteur électrique. Ces paramètres sont identifiés en

dehors du fonctionnement normal du variateur de vitesse, par exemple lors d'une procédure d'apprentissage.

Selon l'invention, certains de ces paramètres de saturation magnétique sont employés pour déterminer, lors du fonctionnement normal du moteur, une correction de l'erreur d'angle existant entre la position du repère de commande (axes d et q) et la position du rotor (c'est-à-dire de l'aimant permanent).

L'invention consiste d'abord en un procédé de commande permettant de déterminer les paramètres liés à la saturation magnétique du moteur électrique.

Pour cela, on utilise un modèle mathématique du moteur électrique synchrone à aimants permanents incluant la saturation magnétique. Sous une approche Hamilton- Lagrange, le modèle mathématique du moteur électrique synchrone à aimants permanents, incluant le phénomène de saturation magnétique, suit par exemple l'expression suivante :

A partir de cette expression, on en déduit :

Avec

Dans lesquelles :

L'invention consiste à identifier les paramètres de saturation magnétique évoqués dans les relations écrites ci-dessus. Ce modèle mathématique prend en compte tous les types et effets de saturation magnétique du moteur électrique, c'est-à- dire la saturation mutuelle entre le stator et le rotor et la saturation intrinsèque du rotor et du stator. Ces paramètres sont donc désignés Pour

identifier ces paramètres, le principe d'identification mis en œuvre par le programme de commande de l'invention consiste à injecter deux types de signaux en tension sur l'axe du flux (ci-après axe d) et/ou sur l'axe du couple (ci-après axe q). Le premier signal en tension est statique et le deuxième signal en tension est à haute fréquence. Par signal statique, on entend un signal continu sur une certaine durée, ce signal statique pouvant prendre différents niveaux au cours du temps.

Les figures 1A, 2A, 3A et 4A montrent les injections des signaux en tension qui permettent de déterminer les paramètres de saturation magnétique. Pour chaque injection de signal en tension, on obtient une réponse en courant I _Sd sur l'axe d et/ou une réponse en courant I _Sq sur l'axe q nous permettant de déterminer les paramètres de saturation. Ces réponses en courant sont représentées sur les figures 1 B, 2B, 3B et 4B. Ce principe d'identification s'explique par le raisonnement suivant :

Une tension u _s incluant une partie statique et une partie haute fréquence s'exprime de la manière suivante :

Dans laquelle représente sa partie statique (sur l'axe d ou sur l'axe q), représente sa partie haute fréquence (sur l'axe d ou sur l'axe q), f est une fonction périodique et F sa primitive centrée.

Nous obtenons ainsi les expressions :

- du flux

- du courant

Dans lesquelles, représentent les composantes statiques des

courants de flux et de couple et représentent les oscillations des courants de

flux et de couple. Nous obtenons au premier ordre en Ω et a (c'est-à-dire en utilisant les relations :

Comme les oscillations de courant peuvent être extraites de la

mesure des courants nous obtenons à travers (4) des relations qui

permettent le calcul des paramètres de saturation.

Les figures 1A, 2A, 3A, 4A montrent quatre cas particuliers d'injection de signaux en tension (statique et haute fréquence) sur les axes d et q permettant d'extraire les oscillations de courant sur l'axe du flux d et l'axe du couple q.

Sur la figure 1A, un signal en tension statique est appliqué sur l'axe d et un signal en tension haute fréquence est appliqué sur l'axe d. La figure 1 B montre la réponse en courant correspondante.

Sur la figure 2A, un signal en tension statique est appliqué sur l'axe q et un signal en tension haute fréquence est appliqué sur l'axe d. La figure 2B montre la réponse en courant correspondante.

Sur la figure 3A, un signal en tension statique est appliqué sur l'axe d et un signal en tension haute fréquence est appliqué sur l'axe q. La figure 3B montre la réponse en courant correspondante.

Sur la figure 4A, un signal en tension statique est appliqué sur l'axe q et un signal en tension haute fréquence est appliqué sur l'axe q. La figure 4B montre la réponse en courant correspondante.

Comme représenté sur la figure 5A, le signal en tension haute fréquence peut être un signal carré. Dans ce cas, les oscillations de courant obtenues (figure 5B) sont sous la forme d'un signal triangulaire dont il est aisé d'extraire les amplitudes à chaque période du signal d'injection.

Sur les figures 1 C, 2C, 3C et 4C, on peut voir que l'amplitude des oscillations du courant varie en fonction du niveau du courant statique obtenu. Ces variations suivent des relations linéaires ou quadratiques. Une méthode classique de moindres carrés permet alors d'estimer les paramètres de saturation magnétique désignés

ci-dessus.

Par exemple :

Soit le système y = a x ² + b x + c , où a,b,c sont des paramètres à estimer et x,y des signaux connus.

L'estimation des paramètres a,b,c par les moindres carrés s'obtient par la formulation matricielle :

qui fournit

soit

où (y _k ,x _k ) sont les données mesurées :

- y _k : amplitude des oscillations de courant pour l'essai k,

- x _k : valeur du courant statique pour l'essai k.

Une fois les paramètres de saturation magnétique déterminés, ceux-ci

peuvent être employés, lors du fonctionnement normal du moteur, dans l'exécution de la loi de commande par le variateur de vitesse. Pour cela, la loi de commande telle que représentée en figure 6 se trouve être un peu différente d'une loi de commande standard puisqu'elle inclut le traitement de la saturation magnétique du moteur.

La loi de commande comporte un courant de flux de référence et un courant de couple de référence , à partir desquels sont déterminées une tension

de flux de référence et une tension de couple de référence . Sur la tension de flux de référence est appliqué un signal en tension haute fréquence u _Sh

permettant de générer des oscillations de courant sur l'axe de flux d. A partir de la tension de flux de référence et de la tension de couple de référence , la loi de commande génère les tensions de référence pour les trois phases U, V, W connectant l'onduleur INV au moteur M. En fonction des tensions de référence , l'onduleur génère les tensions correspondantes qui

créent les courants dans les trois phases U, V, W du moteur. Ces

courants sont mesurés et traités par la loi de commande pour les convertir en courant de flux et de couple, qui sont réinjectés en entrée pour régulation. A partir des

courants de flux et de couple mesurés, la loi de commande calcule une erreur

d'angle ε (bloc 10) correspondant à la différence entre la position du repère de commande (axes d et q) et la position du rotor (c'est-à-dire de l'aimant permanent). A cette erreur d'angle ε , la loi de commande ajoute une correction correspondant à la prise en compte de la saturation magnétique. L'erreur d'angle ainsi corrigée permet ensuite d'évaluer la vitesse statorique en appliquant des gains K _p et K,.

D'un point de vue détaillé, lorsque nous écrivons le modèle moteur dans le repère rotor à l'arrêt, nous obtenons :

avec ε l'erreur d'angle entre le repère de commande et la position du rotor

Au premier ordre en , les équations (6) deviennent :

Définissons la tension, avec une injection de tension sur l'axe d :

où est la tension appliquée par une commande standard.

Il vient sur la base de la relation (5) :

où représente la partie correspondant à la commande standard.

Maintenant nous réinjectons la valeur du flux (8) dans les relations (7) pour isoler l'oscillation du courant au premier ordre. On obtient alors :

En cas de saturation magnétique, sans injection de courant sur l'axe de flux d, on peut exprimer l'erreur d'angle ε en fonction de l'oscillation du courant et d'une correction permettant d'optimiser le couple produit. On obtient alors :

avec

La relation (10) peut ainsi être réécrite de la manière suivante :

Dans laquelle correspond à la correction sur l'erreur d'angle à prendre en

compte en cas de saturation magnétique du moteur électrique, cette correction étant fonction des paramètres de saturation magnétique . Il est intéressant de

noter que la connaissance seule de ces deux paramètres suffit pour déterminer la correction à appliquer. Le principe d'identification des paramètres décrit ci-dessus pourrait donc se limiter à ces seuls paramètres.

Sur la figure 6, on peut voir que la correction déterminée peut être

injectée directement sur l'erreur d'angle ε ou appliquée en entrée pour corriger le courant de flux de référence et le courant de couple de référence . La structure de loi de commande permet ainsi de réguler l'erreur d'angle ε à zéro même en cas de saturation magnétique du moteur électrique. Le couple obtenu à partir du courant de couple et de l'angle ε est . Le courant consommé pour fournir un couple donné est

minimal lorsque l'angle ε est nul.