Titre de l’invention : Procédé d’estimation du couple électromagnétique d’une machine synchrone à rotor bobiné

[0001] L’invention concerne les machines synchrones à enroulement d'excitation dans le rotor, aussi appelés rotors bobinés, abrégées MSRB.

[0002] De telles machines synchrones sont aujourd’hui largement utilisées dans les véhicules électriques et hybrides, en particulier comme moteur de traction des véhicules automobiles.

[0003] Plus particulièrement l’invention porte sur un procédé d’estimation du couple électromagnétique de telles machines synchrones.

[0004] En effet, la connaissance de la valeur réelle du couple moteur est nécessaire dans les entraînements électriques pour des raisons de sécurité et/ou de contrôle.

[0005] Cette information est généralement obtenue à l’aide d’un couple-mètre.

[0006] Pour des raisons de sécurité, la traction du véhicule automobile est alors mise en arrêt si la différence entre le couple mesuré et un couple de référence dépasse un taux de ±5%.

[0007] Pour plusieurs raisons telles que le coût, la fiabilité et l’encombrement, il est souhaitable d’éliminer le couple-mètre du système d’entraînement et de le remplacer par un estimateur instantané de couple.

[0008] Un tel estimateur peut estimer la valeur réelle du couple en utilisant certaines variables disponibles telles que les tensions, les courants et la position du rotor.

[0009] On connait notamment la mise en œuvre d’un estimateur de couple sur la base des courants mesurés.

[0010] Les courants mesurés sont alors utilisés pour former un système de prévision de réseau neuronal afin d’obtenir les données de flux avec une fréquence d’échantillonnage de 100Hz.

[0011] Ensuite, le couple moteur est calculé à partir des données de courants et de flux.

[0012] Cette technique a toutefois plusieurs limitations, telles que la perte de certaines données importantes dans les performances transitoires du moteur et la nécessité de bien entraîner le système de prédiction de réseau neuronal, ce qui peut entraîner des erreurs entre les couples réels et les couples estimés.

[0013] Il est bien connu que les tensions et les courants statoriques triphasés de la MSRB peuvent être transformés en deux repères diphasés en utilisant les transformations de Clark, qui permet de passer à un repère diphasé fixe lié au stator, et de Park, qui permet de passer à un repère tournant lié au rotor.

[0014] Les grandeurs dans les repères liés au stator et au rotor sont écrites en utilisant les indices a, P et d, q, respectivement.

[0015] L’accès à la tension et au courant rotorique de cette machine permet d’offrir plus de degrés de libertés pour le contrôle et/ou l’observation de cette machine.

[0016] Afin d'avoir les informations du couple, le flux du moteur doit être estimé. En général, deux méthodes bien connues se trouvent dans la littérature.

[0017] Tout d’abord un connait une méthode utilisant le modèle tension-flux de la machine. Cette méthode est basée sur le modèle tension-flux du moteur. Dans cette technique, la force électromotrice FEM) est déterminée par les signaux de tension et de courant disponibles dans le repère diphasé fixe lié au stator, indexé par les lettres a, P dans le modèle de la machine. Les flux sont alors obtenus par intégration de la force électromotrice.

[0018] Toutefois cette technique présente un certain nombre d’inconvénients parmi lesquels :

[0019] - Les problèmes de conditions initiales inconnues du flux. En effet, le problème de conditions magnétiques inconnues produit un décalage pour l’amplitude du flux estimé par rapport au flux réel. Or, le décalage dans le flux estimé par le modèle de tension génère un terme oscillant sur le couple estimé qui n'existe pas dans le couple réel. De plus, les problèmes de démagnétisation d’aimants, pour les machines synchrones à aimant permanent, et de saturation magnétique qui peuvent apparaitre en cours de fonctionnement de la machine génèrent pareillement un terme oscillant sur le couple estimé.

[0020] - Le problème de divergence du flux estimé à cause du décalage offset) généré ainsi par la non-linéarité de l’onduleur et/ou les incertitudes de mesures sur la valeur de la force électromotrice calculée. La valeur du flux estimé diverge avec le temps à cause de ce décalage dans la force électromotrice.

[0021] - Les problèmes d’observabilité à très basse vitesse.

[0022] Une autre méthode est connue, dans laquelle on utilise le modèle flux-courant de la machine. Cette méthode est basée sur le modèle flux-courant du moteur qui calcule directement les flux en utilisant des inductances, le flux d'aimant permanent du rotor, si le type de moteur est un moteur à aimant permanent, et les courants mesurés.

[0023] Cette méthode est fréquemment réalisée dans le repère diphasé tournant lié au rotor (indexé par les lettres d, q dans le modèle de la machine).

[0024] Comme pour la méthode basée sur le modèle de tension, cette méthode présente certains inconvénients parmi lesquels :

[0025] - La forte dépendance du flux estimé aux paramètres magnétiques tels que les inductances.

[0026] - Le besoin de données sur la position du rotor.

[0027] Aussi, il existe le besoin d’un procédé d’estimation du couple électromagnétique d’un rotor synchrone à rotor bobiné ou à aimants permanents amélioré.

[0028] A cet effet on propose un procédé d’estimation du couple électromagnétique d’une machine synchrone à rotor bobiné comprenant :

[0029] - Une étape de mesure des courants statoriques et rotoriques de ladite machine,

[0030] - Une étape de définition d’un modèle flux-courant de ladite machine en fonction desdits courants mesurés et de variables d’état comprenant des paramètres d’incertitudes magnétiques eux-mêmes fonction des inductances statoriques, rotoriques et des inductances mutuelles entre le stator et le rotor,

[0031] - Une étape d’estimation desdites variables d’état dudit modèle par un observateur d’état,

[0032] - Une étape de calcul dudit flux statorique à partir des variables d’état estimées par ledit observateur d’état, et

[0033] - Une étape d’estimation du couple électromagnétique en fonction dudit flux statorique calculé.

[0034] Ainsi, on peut obtenir une estimation plus précise du couple électromagnétique de la machine électrique synchrone à rotor bobiné.

[0035] Avantageusement et de manière non limitative, les paramètres d’incertitudes magnétiques comprennent une incertitude magnétique statique.

[0036] Avantageusement et de manière non limitative, les paramètres d’incertitudes magnétiques comprennent une incertitude magnétique dynamique.

[0037] En particulier, ledit observateur d’état est fonction d’un gain d’observateur prédéfini et de la vitesse angulaire du rotor. [0038] L’invention concerne aussi un dispositif d’estimation du couple électromagnétique d’une machine synchrone à rotor bobiné comprenant :

[0039] - Des moyens de mesure des courants statoriques et rotoriques de ladite machine,

[0040] - Des moyens de définition d’un modèle flux-courant de ladite machine en fonction desdits courants mesurés et de variables d’état comprenant des paramètres d’incertitudes magnétiques eux-mêmes fonction des inductances statoriques, rotoriques et des inductances mutuelles entre le stator et le rotor,

[0041] - Des moyens d’estimation desdites variables d’état dudit modèle par un observateur d’état,

[0042] - Des moyens de calcul dudit flux statorique à partir des variables d’état estimées par ledit observateur d’état, et

[0043] - Des moyens d’estimation du couple électromagnétique en fonction dudit flux statorique calculé.

[0044] En particulier tous les moyens de ce dispositif peuvent être constitués par un calculateur, notamment un calculateur embarqué dans un véhicule automobile, mais de manière équivalente un processeur, un DSP, un circuit logique programmable du type FPGA, ou tout autre organe de calcul numérique. Les différents moyens du dispositif peuvent être regroupés dans un même calculateur ou séparés dans différents calculateurs en fonction des contraintes techniques d’intégration du dispositif.

[0045] L’invention concerne aussi un ensemble électrique comprenant une machine synchrone à rotor bobiné et un dispositif d’estimation du couple électromagnétique de ladite une machine synchrone à rotor bobiné.

[0046] L’invention concerne aussi un véhicule automobile comprenant un ensemble électrique tel que décrit précédemment.

[0047] 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 annexés sur lesquels :

[0048] - la figure 1 est une représentation schématique du procédé selon le mode de réalisation principal de l’invention ;

[0049] - La figure 2 est une représentation des résultats d’une mise en œuvre expérimentale du procédé selon l’invention ; et

[0050] - La figure 3 est une représentation des résultats d’une autre mise en œuvre expérimentale du procédé selon l’invention.

[0051] En référence à la figure 1, un procédé 1 selon l’invention permet d’estimer le couple d’une machine synchrone à rotor bobiné utilisée pour la propulsion électrique, en particulier d’un véhicule automobile électrique ou hybride.

[0052] Afin d’estimer le couple électromagnétique de cette machine synchrone, on se base sur l'estimation de flux en utilisant un modèle de courant modifié, les variables magnétiques de la machine, et les variations dynamiques des variables magnétiques dans le modèle d’observation.

[0053] Ceci permet à l’observation de suivre des variations rapides des paramètres magnétiques de la machine, ce qui est une situation qui se produit souvent notamment durant les phases d’accélération et à cause de la saturation magnétique.

[0054] On estime le couple électromagnétique de la machine par l’équation suivante :

[0055]

[0056] où i et 2 représentent respectivement le courant statorique et le flux total en vue de stator, dans le repère de Park (d, q); et p est le nombre de paires de pôles.

[0057] Pour surmonter les problèmes d’estimation du flux par le modèle de courant de l’art antérieur, nous proposons d'améliorer ce modèle par la considération des incertitudes magnétiques dans les régimes statique et transitoire.

[0058] Ce modèle est utilisé pour concevoir un observateur qui permet d’estimer toutes les incertitudes statiques et dynamiques dans les paramètres magnétiques de la machine telles que les inductances statorique, rotorique et l’inductance mutuelle.

[0059] Dans un premier mode de réalisation le procédé 1 met en œuvre une étape 10 de mesure des courants statoriques dans le repère de Park, i _q , id, et du courant rotorique if.

[0060] Les flux statoriques et du rotorique d'un MSRB sont exprimés en fonctions des courants comme suit : [0063] - Ld, L _q sont inductances statoriques dans le repère tournant de Park ;

[0064] - Lf est l’inductance rotorique ; et

[0065] - Mf est l’inductance mutuelle

[0066] - id et i _q les courants statoriques et if le courant rotorique.

[0067] Ainsi, le flux de la machine peut être estimé par le système d’équations (2) en fonction des courants mesurés.

[0068] On remarque que tout changement sur les inductances du système d’équations (2) pendant le fonctionnement du moteur, génère un écart d’estimation pour le flux estimé et par conséquent le couple estimé par rapport aux flux et couple réels.

[0069] Pour résoudre ce problème, on définit un modèle flux-courant 11 dans lequel on rajoute ces incertitudes dans le modèle de la machine comme trois termes appelés gd, g _q et gf comme suit :

[0071] En d’autres termes on définit 11 un modèle flux-courant de ladite machine en fonction desdits courants mesurés et de variables d’état comprenant des paramètres d’incertitudes magnétiques eux-mêmes fonction des inductances statoriques, rotoriques et des inductances mutuelles entre le stator et le rotor [0072] Pour estimer ces incertitudes, on met en œuvre un observateur d’état permettant d’estimer 12 les variables gd, g _q et gf.

[0073] En d’autres termes, ces variables gd, g _q et gf sont considérées dans l’observateur comme des états à estimer.

[0074] Dans ce cas les dynamiques de gd, g _q et gf ne sont pas considérées, c’est pour cela qu’on parle ici de l’estimation des incertitudes magnétiques statiques.

[0075] L’observateur est alors donné par le système suivant :

[0076] avec

[0077] Avec R _s et Rf les résistances respectivement statoriques et rotoriques ;

[0078] Et K et co _e respectivement le gain de l’observateur et la vitesse angulaire du rotor, Vd,v _q ,Vf les tensions statoriques sur les axes d et q, et rotorique.

[0079] Dans l’équation (4), les dérivés des variables gd, g _q et gf sont milles car nous avons supposé que les incertitudes soient constantes ou varient très lentement, ce qui n’est pas le cas en réalité.

[0080] Ensuite, après avoir observé les termes gd, g _q et gf on calcule 13, avec l’équation (3), les flux statoriques.

[0081] Puis en fonction des flux statoriques calculés 13, on calcule 14 le couple en fonction de l’équation (1).

[0082] Dans un deuxième mode de réalisation de l’invention, on détermine les incertitudes magnétiques dynamiques.

[0083] Les incertitudes des paramètres magnétiques estimés précédemment sont supposées statiques.

[0084] En condition réelle, les inductances de la machine peuvent changer rapidement à cause de plusieurs raisons comme l’accélération et la saturation magnétique.

[0085] Dans ce cas, les termes gd, g _q et gf, ne peuvent pas être considérés comme constants. Pour prendre en compte la dynamique de gd, g _q et gf pendant le processus d'observation (transitoire et régime permanent), nous les supposons variables et leurs dérivées constantes ou lentement variables.

[0086] Par conséquent, leurs dérivées secondes sont égales à zéro.

[0087] Les dynamiques des incertitudes magnétiques sont considérées dans le nouveau modèle d’observation comme une extension du modèle statique (4) comme suit : [0089] Dans (5), les variables Cd, c _q et Cf permettent d’estimer les variations dynamiques des inductances de la machine.

[0090] Cela permet une estimation précise des flux de la machine en utilisant le modèle flux-courant de l’équation (3).

[0091] L’estimation précise des flux permet ainsi de reconstruire le couple réel de la machine même en présence des variations dynamiques des inductances.

[0092] A titre expérimental, tel que représenté figure 2, le couple réel et les couples estimés sont représentés en utilisant les deux techniques d’estimations des paramètres magnétiques évoquées ci-dessus. La partie basse de la figure 2 représentant les variations statiques de l’inductance mutuelle dans le temps.

[0093] L’expérience a été réalisée en considérant des variations statique et dynamique de l’inductance mutuelle. Pour la variation dynamique introduite entre 0.3s et 0.6s, on peut constater que la nouvelle méthode permet de donner une estimation précise du couple électromagnétique alors que la méthode statique n’arrive pas à compenser l’écart d’estimation de couple à cause de l’écart d’estimation des variables magnétiques.

[0094] Un deuxième scénario est utilisé dans la deuxième partie du test, entre 0.6s et 1s, avec une variation statique de l’inductance mutuelle.

[0095] Durant ce scénario, les deux techniques donnent une estimation précise du couple électromagnétique.

[0096] La figure 3 quant à elle montre le couple réel et les couples estimés par la méthode statique et la méthode dynamique pour une variation de l’inductance de l’axe d du stator dans le cadre d’un autre test.

[0097] L’objectif de cet autre test est d’illustrer l’effet des différentes dynamiques (la rapidité) de variations des inductances.

[0098] Pour cela, deux pentes différentes sont considérées pour les variations de l’inductance de l’axe d :

[0099] - entre 0.15s et 0.3s, une variation rapide pour l’inductance de l’axe d est introduite. Durant cet intervalle de temps, la méthode dynamique donne une estimation précise du couple alors que la méthode statique donne une estimation moins bonne.

[0100] - entre 0.52s et 0.82s, dans le même test, en considérant une variation moins rapide de l’inductance de l’axe d. Dans cet intervalle l’écart d’estimation de couple électromagnétique par la méthode statique est plus faible en comparant avec le premier scénario, cela est dû à une dynamique de variation moins rapide de l’inductance.

[0101] Pour les incertitudes statiques de l’inductance de l’axe d (entre 0.3s et 0.5s et entre 0.8s et 1s), les deux méthodes donnent une bonne estimation du couple.