DOMAINE TECHNIQUE DE L' INVENTION

La présente invention concerne le domaine de l'électronique et plus particulièrement la commande de circuit électronique commuté.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE

Parmi les circuits électroniques commutés figurent les convertisseurs de puissance. Ces dispositifs sont très largement utilisés dans les applications domestiques et industrielles pour adapter l'énergie fournie par une source d'alimentation à une charge. Un convertisseur continu-continu idéal de type FLYBACK est illustré sur la figure 1. Ce convertisseur comprend un circuit primaire et un circuit secondaire. Le circuit primaire comprend une source de tension reliée en série à l'enroulement primaire d'un transformateur et à un interrupteur S. Une inductance L est ajoutée pour modéliser le transformateur. Le circuit secondaire comprend un enroulement secondaire du transformateur relié par une diode D à une charge de résistance R. Un condensateur C est monté en parallèle de l'enroulement secondaire et de la diode. Une résistance est ajouté en série avec le condensateur C pour modéliser une une perte dans le condensateur C. Le transistor peut être commandé, au contraire de la diode. La source de tension d'entrée V _e est idéale, c'est-à-dire sans résistance série et avec une puissance illimitée. L'inductance du primaire L est également idéale, c'est-à-dire sans résistance série ni perte magnétique. La diode et le transistor sont idéaux (la tension en mode de conduction est nulle) . Le transformateur est également supposé idéal.

Le convertisseur peut fonctionner selon trois modes : • Mode 1 : l'inductance L accumule l'énergie de la source de tension V _e, tandis que le condensateur C alimente la charge R.

• Mode 2 : l'énergie accumulée dans l'inductance L s'écoule dans le transformateur, charge le condensateur C et alimente la charge R.

• Mode 3 : le condensateur G alimente la charge R.

Si seuls les Modes 1 et 2 sont actifs pendant le cycle, le convertisseur travaille en MCC (Mode de conduction continue) . Si le Mode 3 est actif, le système travaille en MCD (Mode de conduction discontinue) , à savoir que l'énergie stockée en Mode 1 dans l'inductance est entièrement transférée au condensateur, en Mode 2. II est connu de commander ces convertisseurs à partir d'une modélisation en système linéaire invariant en temps (LTI) . Ces méthodes conduisent à une stabilité locale. Elles sont généralement mises en œuvre avec deux boucles, une boucle de courant rapide et une boucle de tension. La miniaturisation des composants électroniques a permis de développer des systèmes moins coûteux. En outre, il est intéressant de travailler à basse intensité afin de réduire les pertes. Dans ce contexte, la fréquence de commutation du convertisseur joue un rôle fondamental : plus la fréquence de commutation peut être augmentée, et plus les pièces électroniques peuvent être miniaturisées et les pertes diminuées.

Cependant, cette miniaturisation pose des problèmes de robustesse : le faible temps de réponse induit par les composants plus petits rend le système plus sensible aux variations . Il a été envisagé de tenir compte de la nature hybride explicite de ces convertisseurs dans la conception des lois dé commande de stabilisation basées notamment sur une modélisation de systèmes affines commutés .

Un exemple de modélisation d'un système affine commuté applicable à un tel convertisseur continu-continu de type FLYBACK, et les conditions de fonctionnement correspondantes, sont décrits ci-après. On notera dans la suite : l'ensemble composé des N premiers entiers est représenté par K = {1, ...,N] et si le simplexe de dimension N-l est La combinaison

convexe d'un ensemble de matrices est représentée avec La matrice

Identité est représentée par I pour toutes les dimensions .

Un tel convertisseur est un système commuté qui peut être modélisé sous forme d'espace d'état commuté comme suit :

où x(t) e R ⁿ est l'état et u(t) e R ^m est l'entrée considérée comme fixe ladite entrée ne pouvant être utilisée comme variable de commande. La commande est formée par la règle de commutation

K qui indique le mode actif à chaque instant. Le vecteur d'état se compose de i _L (courant traversant l'inductance L) et de v _c (tension aux bornes du condensateur C) . En référence à la figure 1 et en utilisant les lois de Kirchhoff, les ensembles

avec sont donnés par :

avec Dans ce qui suit, on considère la

configuration MCC (seuls les Modes 1 et 2 peuvent être activés, d'où N=2) . Le problème de commande, qui est un problème de commande de système commuté, peut également être considéré en utilisant, pour le système défini en (1), une représentation "convexifiée" donnée par :

avec En effet, l'application du théorème de densité garantit que toutes les trajectoires du système convexifié défini en (4) peuvent être atteintes par le système commuté défini par l'équation (1) au moyen d'une commutation suffisamment rapide. Ceci signifie que l'on peut étudier le système convexifié et appliquer les résultats obtenus au système commuté. La matrice Α(λ) étant Hurwitz, il est possible de concevoir des stratégies de stabilisation, même si l'ensemble des A± n'est pas stable. Dans ce cas, le point d'équilibre du système défini par l'équation (4), représenté par x _e , se trouve dans l'ensemble tel que, pour u fixe, est défini :

Les stratégies de stabilisation de cette loi de commande sont fondées sur une connaissance supposée parfaite de tous les paramètres de fonctionnement du convertisseur, dont la tension d'entrée et la charge. En prenant comme hypothèse que pour tout λ e Λ, tel que Α(λ) est Hurwitz, il existe au moins un indice i, tel que λ _} ≠0 et Ai est Hurwitz (Hypothèse 1) , et en posant que l'estimation S de l'état x vaut X = x-x ^T avec x ^r le point d'équilibre de cet état, la fonction de Lyapunov V est définie par :

avec étant la matrice de Lyapunov

solution de l'équation de Lyapunov (7) est

avec

Selon une première proposition (Proposition 1) , on considère le système commuté (1) et un point d'équilibre V

Hurwitz : pour solution de

l'inégalité (7), le point d'équilibre x ^r est globalement asymptotiquement stable avec la loi de rétroaction suivante :

On le prouve en utilisant une fonction de Lyapunov V( ) ( ) ^T P On représente la dérivée de V, le long des trajectoires par :

Par définition de la matrice de Lyapunov P, on a :

Pour λ le terme A on a :

Comme ne peut pas être nul en raison de l'Hypothèse 1, on peut conclure que le choix de la règle de commutation (8) conduit à :

En pratique, la loi de commande (8) doit être échantillonnée et il a été démontré que cet échantillonnage conduit à une erreur statique, fonction du temps d'échantillonnage Γ. Avec une commutation de fréquence infinie, il est possible de réduire cette erreur statique à zéro, ce qui n'est pas réaliste dans une application en temps réel. De plus, la méthode utilise une fonction de Lyapunov V qui dépend du point d'équilibre Or, pour les convertisseurs de puissance comme celui évoqué précédemment, le point d'équilibre dépend de la charge R et de la tension d'entrée u, et s'il y a des variations ou des incertitudes dans ces paramètres, la robustesse de la stabilisation du point d'équilibre doit être analysée.

OBJET DE L'INVENTION

Un but de l'invention est de fournir une loi de commande stable des systèmes commutés qui tienne compte de paramètres constants inconnus. Par exemple, dans le cas de convertisseurs de puissance, l'invention fournit une loi de commande stable même sans connaître la tension d'entrée et/ou la charge de sortie.

EXPOSE DE L'INVENTION A cet effet, l'invention concerne un procédé de commande d'un circuit électronique commuté reliant une source de tension électrique u à une charge R et formant un système ayant une sortie y et plusieurs modes de fonctionnement i dont au moins certains sont donc activables en suivant une loi de commutation σ. On prévoit/ selon l'invention, les étapes de :

- mesurer des variables d'état x du système ayant des valeurs d'équilibre

- introduire dans le système au moins un paramètre p représentatif d'une erreur de mesure d'une inconnue électrique de fonctionnement du circuit ;

- estimer le paramètre à partir d'un observateur d' état;

- en déduire les valeurs d'équilibre du système nécessaires à la convergence de la loi de commande.

Plus précisément, le procédé comprend de préférence les étapes de :

- mesurer des variables d'état x du système ayant des valeurs d' équilibre

- associer au moins un paramètre d'erreur p à au moins une inconnue électrique de fonctionnement du système de manière à représenter le système sous la forme étant la matrice d'état, la matrice d'entrée

et la matrice de paramètre dans le mode i commandé par la loi de commutation σ ; - estimer les valeurs du paramètre p à partir d'un avec une matrice d'observation telle que et L _a une matrice de gain calculée par la résolution d'une inégalité matricielle linéaire de l'anglais « Linear Matrix Inequality ») de telle manière que l'erreur e en fonction du temps entre le vecteur d'état z et son estimée z tende expcnent iellement vers zéro ;

- en déduire des valeurs d'équilibre estimées des variables d'état x ;

- la loi de commutation ayant la forme suivante

avec et P la solution de l'équation de

Lyapunov.

Ainsi, la loi de commande proposée dépend de l'estimation d'au moins un paramètre ajouté à la modélisation du système pour représenter des pertes et variations de grandeurs qu'on ne peut mesurer ou en tout cas connaître précisément .

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de mise en œuvre particulier non limitatif de 1 ' invention .

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels ;

- la figure 1 est un schéma simplifié d'un circuit d'un convertisseur de type FLYBACK ; - la figure 2 est une représentation schématique du paramètre pi ;

- la figure 3 est une représentation schématique du paramètre p _∑ ;

- la figure 4 représente l'intégration des paramètres

Pi et p2 dans ce circuit ;

- la figure 5 représente des courbes illustrant une variation par étapes de R et V _e avec la méthode de commande par commutation et observation de l'invention.

EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION

L' invention est ici décrite en application à un convertisseur continu-continu de type FLYBACK. Néanmoins, il va de soi que l'invention s'applique à tout système commuté .

Comme indiqué précédemment, dans les convertisseurs de puissance, il est courant de ne pas disposer d'une mesure de la tension d'entrée ni d'une mesure de la charge de sortie. L'invention prévoit de tenir compte de deux paramètres représentatifs du défaut de mesure de la tension d'entrée et du défaut de mesure de la charge de sortie. Ces paramètres sont ici liés à la résistance R et à la tension u, tel qu'illustré sur les figures 2 et 3. Le paramètre de tension p2 permet d'identifier l'erreur sur la tension d'entrée, comme expliqué par les équations (12) (dans lesquelles xi représente les variables d'état non commandées) , et le paramètre de courant pi permet d'identifier l'erreur sur la charge de sortie, comme expliqué par les équations (11) .

Pour faciliter la compréhension, ces deux

paramètres, donnés par les équations (11) et (12) , sont ajoutés virtuellement au convertisseur, comme montré sur la figure 4,

Une estimation parfaite de ces paramètres donne une information clé sur le point de régime permanent qui n'est pas connu, a priori, en cas de défaut de mesure de R et u. De même, le système affine commuté décrivant le convertisseur de la figure 4 est donné par :

p étant un vecteur de paramètres inconnus, A la matrice d'état, B la matrice d'entrée et G la matrice des paramètres .

Pour estimer ce vecteur, on utilise d'abord un vecteur d'état augmenté pour réécrire le système défini par les équations (13) comme : avec est la matrice d'état augmentée et B est

matrice d'entrée augmentée qui sont définies comme

Sans perte de généralité, on pose la matrice de sortie. Dans notre cas, C = I mais l'approche dont l'invention résulte s'applique également lorsque l'état x n'est pas disponible à la mesure. L'ensemble des points d'équilibre du système défini par la formule (14) est alors :

On considère de sorte que

On utilise un observateur d'état augmenté pour récupérer les paramètres inconnus. L'observateur d'ordre entier est défini par :

En posant l'erreur e entre le vecteur z et son estimation i telle que sa dynamique est donnée par :

Les gains doivent être conçus pour vérifier que et que cela peut être réalisé en utilisant

le résultat classique suivant.

Selon une deuxième proposition (Proposition 2) : s'il existe une matrice définie positive des matrices et des scalaires satisfaisant, pour tout

alors les systèmes commutés répondant à l'équation (19) sont, globalement, exponentielleraent stables, avec une décroissance au moins égal à ^

Ceci est prouvé en analysant la fonction de Lyapunov et le changement de variable bien connu

Si l'équation (20) admet une solution avec

0 , cela signifie que _ohs est une fonction de Lyapunov et que pour toute règle de commutation.

Ceci permet de construire une loi de commande de commutation de stabilisation basée sur une estimation de paramètre et d'état, en modifiant la loi de commutation (8) pour garantir une stabilisation asymptotique globale. La difficulté principale est associée à la détermination du point de fonctionnement basé sur une estimation de p. Pour expliquer la manière d'y

parvenir, les définitions et hypothèses suivantes sont nécessaires. Définition 1 : pour fixe, on a l'ensemble

est Hurwitz pour tout v

Définition 2 : pour ξ ≥ 0 fixe, on définit l'ensemble des points d'équilibre accessibles comme : On pose x ₂ comme la partie commandée des variables d'état et x ₂ les variables d'état restantes, tel que

S ^ans perte de généralité, on suppose que

0 ⁿ considère la fonction φ en C

Pour f , signifiant que est Hurwitz et, par suite, inversible, il existe pour tout u et p fixes, un x unique, tel que

Hypothèse 2 : pour tout _f ϋ existe une unique fonction de classe ) tel que

qui vérifie la relation suivante :

De plus, on suppose qu'il existe une constante

0 telle que

La paramétrisation opérée par les équations (22) et

(23) joue un rôle important dans l'approche proposée, car elle permet d'estimer le point de référence basé sur une estimation p des paramètres p et une référence (ou valeur d'équilibre) x\ pour la partie commandée x ₂ des variables d'état. Cela conduit à

A partir de là, on considère La dynamique de pour et u fixes, est :

En supposant que p = 0 et en remplaçant p par son expression (18), on obtient :

Ceci conduit au théorème suivant.

Théorème 1 : en considérant le système affine commuté avec des paramètres inconnus tel que défini en (13), en posant avec ^{et en} supposant que

la Proposition 1 et la Proposition 2 soient satisfaites, on obtient, selon l'Hypothèse 1 et l'Hypothèses 2 et pour tout la loi de rétroaction définie par : avec .

Cette loi de rétroaction garantit une stabilité asymptotique globale du point d'équilibre x ^r comme cela peut être prouvé ci-dessous.

On tire de la Proposition 2 le fait que l'erreur d'observation converge vers zéro pour toute règle de commutation et, de la Proposition 1, la matrice de Lyapunov P et les scalaires α^. Pour

l'équation (7) donne :

avec

Avec X X défini dans les équations (25) et (26), il vient :

Comme ne peut pas être nulle selon l'Hypothèse 1, nous pouvons conclure que la loi de commande (32) conduit à :

En prenant la fonction de Lyapunov V définie dans l'équation (6) et en utilisant au lieu de on obtient :

Si l'on ajoute de chaque côté de l'inégalité (34) le terme suivant

on obtient

Comme e converge exponentiellement vers 0 pour toute règle de commutation _/ et donc, en particulier, pour les règles de commutation découlant de la loi de commande (32), avec y= min _f ft, il existe K > 0,

D'où :

avec βγηαχ la valeur propre maximale de P. Une condition suffisante pour garantir

est ^ou fimin est la valeur propre minimale de P et

Il à noter que pour selon l'Hypothèse 1 et par définition de

Comme il existe tel que

on peut conclure qu'il existe une constante M (xj, 0, telle que si

alors,

Comme il est possible d' affirmer que :

on a nécessairement ψ , pour tout w, tel que Cela signifie que pour tout w(0) , il existe t ₃ , tel que :

pour tout t > t ₃ .

On peut alors conclure que w converge asymptotiquement vers 0. Comme e converge également vers zéro, nous avons : avec puisque

Les conditions dans l'Hypothèse 2 peuvent être relaxées comme suit.

On formule ensuite une troisième hypothèse (Hypothèse 3) : on suppose que l'application

dans l'Hypothèse 2 n'est plus valable pour tout p, mais seulement pour tout p dans un domaine convexe fermé représenté ( fonction de i On suppose également que la valeur nominale du paramètre p est incluse dans

Selon une troisième proposition (Proposition 3) :

selon 1' Hypothèse 3, le Théorème 1 reste vrai, si le point de fonctionnement est tel que

où est la projection orthogonale de sur

Ceci peut être prouvé de la façon suivante. Comme est fermé et convexe, la projection orthogonale

sur ) est continue. On considère la fonction et

on utilise la projection Π, tel que

pour et fixes. Comme ^on constate que qui est bien défini comme est inversible.

La projection II permet de calculer un point de référence pour tout t. Bien entendu, le point de fonctionnement calculé de cette manière avec une

projection de p n'est pas un point d'équilibre du système lorsque P

Comme la convergence vers zéro de

l'erreur e pour toute règle de commutation et la continuité de 0 garantissent qu'il existe un temps i( ₀ ) tel que X pour tout

ti, dès que P est suffisamment proche de p. Pour tout on arrive à la preuve en suivant des étapes similaires que celles mises en œuvre pour prouver le Théorème 1.

Ainsi, pour piloter un convertisseur de type FLYBACK tel que celui décrit, il suffit d'associer au convertisseur une unité de commande de l'interrupteur qui soit programmée pour mettre en œuvre la loi de commande du Théorème 1.

Un exemple numérique va maintenant être décrit.

On choisit un convertisseur de type FLYBACK décrit par l'équation (1) qui dépend de six paramètres ayant les valeurs nominales suivantes :

On pose le point d' équilibre cible x\— 15V. On suppose que le convertisseur travaille avec lesdites valeurs nominales et, en ayant comme objectif principal la robustesse, on suppose également que xi et x∑ sont mesurés. On suppose également que la charge J? et la tension d'entrée V _e peuvent changer et que ces paramètres ne sont pas mesurés. Par hypothèse, on considère une fonction constante par morceaux avec des variations comprises entre 15Ω et 150Ω pour la charge, et entre 44V et 28V pour la tension d'entrée.

On vérifie que ce système satisfait à l' Hypothèse 3. Pour une valeur donnée, et en calculant à partir de (17) , on obtient Pour une valeur donnée, l'ensemble est

donné par

puisque seul Ai n'est pas Hurwitz. Il est alors simple de vérifier à partir des équations (41) que si P(*2» ^u »f) ^est défini par :

avec e ^t

^alors donc est bien

défini pour l'ensemble De plus, comme l'ensemble P est compact, l'inégalité (24) est satisfaite, comme l'est, par suite, l'Hypothèse 3 pour l'application considérée. En pratique, valeur très éloignée des valeurs

physiques admissibles pour p.

On résout les conditions LMI (7) pour obtenir la matrice P avec

On résout également les conditions LMI (20) pour obtenir les gains L± pour 1 ' observateur avec

3,3xl0 ⁴ . Dans cette application, un gain de l'observateur courant est obtenu pour chaque mode :

En appliquant la commande robuste et adaptative du Théorème 1, on obtient les résultats représentés sur la figure 5. Pour voir le comportement du système en boucle fermée, dans le cas où tous les paramètres sont parfaitement connus, le scénario de la simulation débute avec les valeurs nominales .

Les variations de R et U sont introduites après l ms. La figure 5 montre une variation par étapes de R et V _e avec la méthode de commande par commutation et observation. Les courbes 1 et 2 montrent respectivement et tandis que la courbe 3 montre les paramètres d'estimation pi et p∑ et la courbe 4 montrent les variations de U et R. Les temps sont indiqués en ms.

Il apparaît sur ces courbes que le paramètre p converge vers une nouvelle valeur, chaque fois que R ou V _e change, et que la sortie commandée, possède une robustesse vis-à-vis des variations de R et V _e . La loi de commande rejette nettement la perturbation sur x2 et le courant xl est bien adapté aux variations. On note ici que le procédé de commande selon l'invention ne se base pas sur une approximation linéaire du système. Le procédé de commande est mis en œuvre directement sur le modèle du système commuté en prenant en compte les non-linéarités, ce qui permet de garantir la stabilité asymptotique globale du correcteur.

De plus, la démonstration de la stabilité est faite avec l'observateur dans la boucle de commande, ce qui ne correspond pas à la pratique générale de l'art antérieur.

Généralement, en outre, la méthode de commande est développée sous l'hypothèse que l'observateur a convergé. Or, on prouve ici que l'observateur n'a pas besoin d'avoir déjà convergé pour garantir la stabilité asymptotique de l'ensemble. Le procédé de commande selon l'invention est ainsi particulièrement avantageux.

Comme on l'a vu plus haut, le procédé de commande permet d'obtenir une loi de commande stable même sans connaître précisément tous les paramètres de fonctionnement du circuit électronique commuté.

Ici, on ne mesure pas la tension d'entrée et la charge de sortie : les observateurs utilisés permettent de tenir compte de ces paramètres. On obtient donc une commande auto-adaptative vis-à- vis de variations de paramètres de fonctionnement du circuit électronique commuté, sans qu'il ne soit nécessaire de mesurer lesdits paramètres de fonctionnement. On simplifie et on réduit le coût du circuit électronique commuté en supprimant les difficultés liées à l'obtention de mesures précises des paramètres de fonctionnement.

On note que la loi de commande est stable dans un domaine de fonctionnement plus large que le domaine de stabilité obtenu dans les lois de commande de l'art antérieur (hors domaine linéaire) .

De plus, cette stabilité, obtenue grâce à la mise en œuvre du procédé de commande selon l'invention, peut être démontrée. La possibilité de démontrer la stabilité est un atout très important dans les applications qui requièrent des activités de certification, et notamment dans les applications aéronautiques. Sans une telle démonstration de la stabilité, et même si le circuit semble fonctionner parfaitement, il est en effet impossible de garantir la stabilité sur tout le domaine de fonctionnement, et donc il est impossible de certifier et d'autoriser « à voler » un équipement mettant en œuvre un tel circuit.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications.