Amélioration de la commande vectorielle sans capteur : Méthode en ligne pour la compensation d'offset

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1 Amélioration de la commande vectorielle an capteur : Méthode en ligne pour la compenation d'offet L. Baghli, H. Razik, A. Rezzoug. Groupe de Recherche en Electrotechnique et Electronique de Nancy UPRES A - CNRS 737 Faculté de cience B.P Vandœuvre-lè-Nancy baghli@green-uhp.u-nancy.fr Réumé: Le problème poé par la commande de la machine aynchrone an capteur mécanique demeurent d'actualité comme en témoignent le publication le plu récente [1]-[5]. Dan notre laboratoire, une équipe e penche non eulement ur de nouveaux outil pour l'identification et la commande (approche floue, neuronale) mai aui ur l'amélioration de la commande an capteur. Cet article concerne la mie au point d'une commande vectorielle directe par orientation du flux tatorique. L'accent et mi ur de amélioration pratique de la commande an capteur mécanique grâce à l'introduction d'une méthode de compenation en ligne de offet ur le ignaux de f.e.m. et du flux. Il devient alor poible d'etimer le compoante du flux tatorique an avoir recour à de algorithme complexe (obervateur de Luenberger, EKF, MRAS). L'utiliation de bobine de meure de f.e.m. permet de urcroît d'éviter l'introduction de la réitance tatorique pour ynthétier la commande vectorielle. De réultat expérimentaux ont préenté et montrent l'efficacité de la méthode propoée. Mot clef: Commande vectorielle, moteur aynchrone, an capteur, offet. I. INTRODUCTION Durant ce 2 dernière année, d'important progrè en matière de commande vectorielle, urtout numérique, ont été réalié [6]. On arrive donc à avoir une commande rapide et ûre. La commande indirecte par orientation du flux rotorique donne de trè bon réultat [7]. Elle permet de contrôler le couple y compri à l'arrêt. A l'aide d'un encodeur incrémental, d'excellente performance ont obtenue aui bien en contrôle de couple que de vitee. Le choix de certain type de régulateur permet d'améliorer ce performance tout en gardant un temp de calcul acceptable [8]. Ce méthode néceitent cependant l'utiliation d'un capteur mécanique. La demande en commande de machine tournante an capteur mécanique et devenue de plu en plu forte durant ce dernière année à caue de problème d'intallation de ce capteur. De plu, l'utiliation de ce capteur, ur une machine aynchrone tant réputée pour a robutee, contribue à fragilier le ytème et à en augmenter le coût. Pluieur méthode de commande an capteur ont apparue. Elle ont d'ailleur fait l'objet de d'article généraux ur l'état de l'art [9]. On ditingue d'abord celle baée ur une modification de la machine, comme l'utiliation d'une diymétrie du rotor par l'injection d'un ignal haute fréquence uperpoé aux ignaux de commande de la machine [1], [4], [1]. Enuite, pour le machine conventionnelle, on retrouve de algorithme baé ur de modèle plu ou moin complexe [11]. Ce dernier requièrent beaucoup de temp de calcul ur de DSP de plu en plu ollicité. Il ont de ce fait trè dépendant de paramètre de la machine [9]. L'utiliation d'un etimateur imple du flux e heurte cependant à un problème majeur ; l'intégration en boucle ouverte. En effet, afin d'obtenir le flux tatorique (dan le ca d'une commande vectorielle directe par orientation du flux tatorique) [12] il convient de procéder au calcul uivant : ϕ ϕ = = ( V R I ) dt ( V R I )dt L'exitence d'un offet, aui petit qu'il oit, génère une rampe qui vient 'ajouter au ignal flux. Cet effet et déatreux en commande puique ce ignaux ne conviennent plu pour calculer l'angle θ de la tranformation de Park. Cet etimateur néceite, dan la recontitution de la force électromotrice, la réitance tatorique. II. METHODE PROPOSEE Nou propoon d'utilier une méthode de compenation [13] que nou appliquon à une machine aynchrone à peine modifiée, qui dipoe d'enroulement upplémentaire monté en α, β au tator, à proximité de (1)

2 l'entrefer. Ce dernier permettent de meurer directement la f.e.m. de la machine E et E. Le ignaux de f.e.m. ont calculé de la manière uivante : E E = Factor = Factor me me Offet Offet β Le flux tatorique et alor obtenu par intégration numérique ur une période d'échantillonnage : ϕ = ϕ ϕ = ϕ [ n 1] + T [ n 1] + T En régime permanent, ce ignaux ont inuoïdaux et déphaé de 9. La figure 1 illutre le fonctionnement de l'algorithme de compenation d'offet. On uit chaque (2) (3) ignal en utiliant une fenêtre gliante. Quand un de ignaux et à un extremum, l'autre doit être à zéro. L'idée majeure conite à lui ôter cette valeur qui correpond à un offet. Ce correction 'opèrent tout le quart de période. On note cependant de changement brutaux et important ur l'angle θ iu du calcul. Afin d'éviter ce problème, nou metton à jour le offet (Offet, Offet ) correpondant aux ignaux de f.e.m. (2). Lorque le offet atteignent leur valeur nominale, le correction ur l'amplitude de ignaux e font de façon beaucoup moin abrupte Fig. 2. Par ailleur, afin de rendre ce contrôle vectoriel indépendant de paramètre de la machine, nou utilion le ignaux de f.e.m. directement iu de la meure et non pa recontitué à partir de courant et de ignaux de commande de référence de tenion [3] Figure 1 Signaux expérimentaux de flux ϕ et ϕ quand le offet ne ont pa ajuté Figure 2 Signaux expérimentaux de flux ϕ et ϕ aprè que le offet auto-ajutable aient atteint leur valeur nominale 5 E alpha meurée E alpha recontituée E alpha meurée E alpha recontituée f.e.m. (V) -25. f.e.m. (V) Figure 3 f.e.m. à 1 tr/mn Figure 4 f.e.m. à 6 tr/mn

3 Le figure 3 et 4 montrent le différence ur l'allure de ignaux aini que leur déphaage pour de vitee de 1 et 6 tr/mn. Plu la vitee et faible (en fait la pulation tatorique) plu le ignaux vont être bruité puique leur amplitude devient faible. On peut également remarquer également le déphaage entre le ignaux meuré et ceux recontitué. Il dépend eentiellement de la valeur de la réitance tatorique utiliée. Aini, le chéma de contrôle développé ne requiert pa la connaiance de cette réitance. Le figure 5 à 8 repréentent la répone du ytème uite à un échelon de vitee de 5 à 6 tr/mn. La machine et commandée uivant un chéma de contrôle vectoriel direct par orientation du flux tatorique. Sa puiance et de 5.5 kw et elle et alimentée par un onduleur à IGBT fonctionnant en MLI à 1 khz. Le programme de régulation et de commande 'exécutent ur un couple de DSP TMS 32C31 et P14. Suite à l'échelon de vitee Fig. 5, la compoante I q du courant tatorique augmente juqu'à la valeur limitée par le contrôle afin d'appliquer le couple demandé Fig. 6. On remarquera que durant le première 5 m, il ubite un biai entre le courant I q et a référence. Il et caué du fait de la non-utiliation de terme de découplage en tenion entre le axe d et q. En effet, le temp de calcul néceaire à leur calcul, dan le ca d'une orientation du flux tatorique, et trop important en regard de performance qu'il apportent. Ce terme n'interviennent que durant le grand changement de vitee et ont compené par l'action intégrale de régulateur de courant. Ce terme ne ont pa à confondre avec le courant de compenation (4), également appelé de découplage, qu'il faut ajouter au courant I d ref dan le ca du contrôle vectoriel direct par orientation du flux tatorique [11], [14]. στ rωri q I dq = 1 + pστ (4) Le découplage entre le courant I d et I q introduit par la commande vectorielle et, quant à lui, parfaitement réalié. Ceci et viible à traver le figure 6 et 7. En effet, durant le large variation de I q, le courant I d n'et pa perturbé et uit toujour a référence I d ref, contante dan cette zone de fonctionnement. En figure 8 et repréenté le flux tatorique uivant e deux compoante ϕ et ϕ. Le offet ayant déjà atteint leur valeur nominale, le ignaux de flux ne ubient pa r alor de ditorion et il ont utilié avec uccè pour le calcul de l'angle de la tranformation de Park. III. EN BASSE VITESSE Cependant, un problème particulier e poe en trè bae vitee. En effet, non eulement le ignaux de f.e.m. ont faible et bruité mai le flux ont alor une période (en régime permanent) qui devient trè importante. Il en réulte que la correction ne peut plu 'effectuer de manière efficace et le contrôle vectoriel et perdu. Nou contournon ce problème en nou baon ur une méthode introduite par Boe et al. [14]. L'idée et de paer en mode indirect quand le ytème décroche. Le problème et que, pour appliquer le contrôle vectoriel en mode indirect, il faut avoir recour à la vitee de rotation de la machine. A bae vitee, voir à vitee nulle, l'etimation de celle-ci et entachée d'erreur. Nou uppoon alor que la vitee et nulle dan cette gamme de fonctionnement afin de calculer l'angle de Park. La pulation tatorique et alor égale à la pulation rotorique donnée par : L (1 + pστ S r ) I q ω r = τ ϕ σl I (5) r Il peut être intéreant de ne pa utilier le terme "dérivé" dan (5) afin de ne pa amplifier le bruit ur le courant I q et ne pa le reporter dan l'etimation de la vitee. Un relevé expérimental d'inverion de vitee de - 2 à + 2 tr/mn et préenté ur le figure 9 à 11. A t= 'opère l'ordre d'inverion. Auparavant, le flux étaient inuoïdaux pui, le contrôle vectoriel et momentanément perdu ; le ignaux de flux devenant non repréentatif Fig. 9. On bacule alor ur le mode indirect. Le ignaux de flux ne ont plu alor utilié pour le calcul de l'angle de Park. Le calcul de la pulation tatorique provient alor de celui de la pulation rotorique ; il n'y a pa de terme de vitee qui intervient. Il en réulte un courant I q trè important (16.5 A qui repréente la valeur limite impoée par la commande) Fig. 1. La vitee de rotation croît alor. Pui, au bout d'une econde, lorque le flux reprennent une allure inuoïdale et que le offet ont proche de leur valeur nominale, nou impoon de nouveau le contrôle direct. Le flux ϕ et ϕ ont, dan ce condition, utilié pour la ynthèe de l'angle de Park. Pour la même pulation tatorique, le courant I q requi et alor beaucoup plu faible Fig. 1. On peut également remarquer que pendant le mode de fonctionnement direct, le flux et, en module, upérieur à a valeur nominale Fig. 9. Ceci et dû au courant de compenation (4) qui a une valeur forcément uretimée. d

4 7 2 Speed (rpm) tr/mn à 6 tr/mn Wm ref Wm Current (A) tr/mn à 6 tr/mn Iq ref Iq Figure 5 Vitee de la machine Figure 6 Courant I q ref et I q tr/mn à 6 tr/mn Phi alpha Phi beta 1. Current (A) tr/mn à 6 tr/mn Id ref Id Figure 7 Courant I d ref et I d Figure 8 Flux ϕ et ϕ La difficulté majeure de cette méthode réide dan le paage d'un mode à l'autre. L'algorithme de prie de déciion en temp réel doit baer on choix ur pluieur critère (valeur en module du flux tatorique, durée pendant laquelle le mode indirect et activée avec une valeur de courant I q upérieure à un niveau fixé ). On 'évertue également à minimier le ocillation et le à-coup de couple durant ce tranitoire par un choix judicieux de l'initialiation de l'angle θ aux moment de tranition. Le contrôle vectoriel préenté ne requiert la connaiance ni de la vitee ni de la poition du rotor pour une commande en couple. En revanche, le régulateur de vitee utilié ici, a pour entrée une meure de vitee.

5 Nou avon également développé un etimateur imple de vitee afin d'obtenir une commande vectorielle avec régulation de vitee an capteur mécanique [11]. No travaux actuel concernent l'amélioration de cet etimateur pour rendre le contrôle plu fiable à trè bae vitee. IV. CONCLUSION Nou avon propoé, à traver cet article, une méthode pour une commande en couple an capteur mécanique. Cette approche repoe ur l'amélioration d'une etimation imple de compoante en α, β du flux tatorique. Par 2. l'introduction d'un algorithme de compenation en ligne de offet inhérent à toute meure, nou avon rendu robute le contrôle vectoriel par orientation du flux tatorique d'une machine aynchrone. De plu, l'utiliation de bobine de meure de f.e.m. implement inérée à l'intérieur de la machine ne néceite plu la connaiance de la réitance tatorique. Le chéma de paage du mode direct en mode indirect et inverement permet de urcroît une utiliation du contrôle en trè bae vitee et à l'arrêt I (A) 1 Id ref Id Iq ref Iq Figure 9 Flux ϕ et ϕ Figure 1 Courant I d et I q 2 Vitee (tr/mn) 1-1 Wm ref Wm Figure 11 Vitee V. REFERENCES [1] Cilia, J.; Aher, G. M.; Bradley, K. J.; Sumner, M., "Control of a haft-enorle poition induction motor uing an aymmetric outer-ection cage," in Proc. EPE 97, Trondheim, Norway, 8-1 September 1997, vol. 4, pp [2] Vranka, P.; Griva, G.; Profumo, F., "Practical improvement of a imple V-I flux etimator for enorle F.O. controller operating in the low peed region," in Proc. IECON'98, Aachen, Germany, 31 Aug. 4 Sept. 1998, pp [3] Baghli, L.; Razik, H.; Rezzoug, A., "A tator flux oriented drive for an induction motor with extra (α, β) coil," in Proc. IECON'98, Aachen, Germany, 31 Aug. 4 Sept. 1998, vol. 4, pp [4] Holtz, J., "Senorle poition control of induction motor - an emerging technology," IEEE Tran. Indu. Electron., vol. 45, n 6, Dec. 1998, pp [5] Hurt, K., D.; Habetler, T. G.; Griva, G.; Profumo, F., "Zero-peed tachole IM torque control : imply a matter

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