Avant propo Le travail préenté dan ce mémoire a été réalié au ein du laboratoire d électromécanique de Compiègne (LEC) ou la direction de Monieur Jean Paul Vilain dan le cadre d une convention indutrielle de ormation par la recherche en collaboration avec la ociété Valeo Sytème Electrique i à Créteil. Je tien tout d abord à remercier trè incèrement mon directeur de recherche, Monieur Jean Paul Vilain, Proeeur à l Univerité de Technologie de Compiègne (UTC), pour e orientation ertile, la grande coniance qu il m a accordée et la patience dont il a ait preuve par a diponibilité. Se directive cientiique m ont été d un apport précieux. Qu il oit auré de ma proonde gratitude. Me remerciement le plu repectueux ont detiné à Monieur G. Friedrich, Proeeur à l UTC, pour m avoir bien accueilli au ein du LEC et mi à ma dipoition le moyen du laboratoire et une partie de a documentation. J exprime me incère remerciement à Monieur Luc Loron, Proeeur à l Ecole Polytechnique de l Univerité de Nante, pour avoir accepté de rapporter ur ce travail malgré on calendrier trè chargé. Ma proonde reconnaiance et adreée à Monieur Bruno Françoi, HDR et maître de conérence de l Ecole Centrale de Lille (ECL), qui a bien voulu rapporter ur cette thèe. Je le remercie de m avoir initié à l environnement dspace et pour e eneignement d un intérêt notable. Me vi remerciement vont à Monieur Chritophe Forgez, maître de conérence à l UTC, qui m a ouvent encouragé, coneillé et aidé. Qu il trouve ici le témoignage de ma proonde reconnaiance. Je tien aui à remercier chaleureuement Meieur Philippe Maon et Luc Kobylanki, ingénieur de la ociété Valeo, pour leur uivi indutriel, le moyen qu il ont mi à ma dipoition et pour le dicuion enrichiante que nou avon eue enemble tout au long de ma thèe. Je n oublierai pa d exprimer ma ympathie à l égard de me collègue du laboratoire d électromécanique pour l ambiance qu il ont u créer et entretenir. Un coucou particulier à Patrice, Vincent, Stéphane, Aurélien, Anthony, Jérôme, CD et DVD. Enin, que tout ceux qui ont contribué, de prè ou de loin, à l aboutiement de ce travail, trouvent ici l expreion de ma proonde gratitude. i
Table de matière Introduction. 1 Chapitre I. Contexte et objecti de l étude I.1 Contexte de l étude 6 I.1.1 La machine :...6 I.1. Le convertieur:...9 I.1.3 La ource continue :...1 I.1.4 Epace couple-vitee :...13 I. Objecti de l étude : Suppreion du capteur de poition 13 I..1 Cahier de charge de la détection de poition :...14 I.. Méthode enorle rencontrée dan la littérature :...14 I.3 Modéliation de la machine ynchrone à rotor bobiné (MSRB): 17 I.3.1 Equation vectorielle de la MSRB :...17 I.3. Equation ramenée au tator :... I.3.3 Modèle en lux de la machine ynchrone :...1 I.3.4 Fonctionnement alternateur en régime permanent ynchrone à vide:... I.3.5 Prie en compte de la aturation :...3 I.4 Concluion : 5 Chapitre II. Détection de poition à l arrêt et identiication paramétrique de l induit de la StARS. II.1 Eet de tranormateur tournant: 7 II.1.1 Détection de poition par comparaion entr'elle de em induite:...9 II.1. Prie en compte du igne de em induite:...34 II.1.3 Détection continue de la poition du rotor à l arrêt :...36 II.1.4 Concluion générale du paragraphe II.1:...4 II. Méthode d identiication de paramètre de l induit de la MSRB: 4 II..1 Ca d une machine à pôle lie :...4 II.. Simulation...45 II..3 Validation expérimentale :...47 II.3 Concluion : 49 Chapitre III. Démarrage de la StARS, détection de poition à vitee élevée et loi de commande. III.1 Démarrage de l alterno-démarreur ynchrone: 51 III.1.1 Ca où l inormation de poition initiale et dicrète:...51 III.1. Ca où la poition initiale et connue avec préciion :...53 III. Autopilotage de la machine aux vitee de rotation importante: 54 ii
III..1 Détection de la poition à partir de l etimation de em de rotation :...54 III.. Simulation:...55 III.3 Commande du couple de la machine ynchrone à rotor bobiné : 69 III.3.1 Ca d une commande en courant :...69 III.3. Ca d une commande en tenion :...61 III.4 Application à la commande de la StARS: 6 III.4.1 Comportement à orte vitee :...6 III.4. Comportement à aible vitee :...6 III.4.3 Synchroniation de la commande en tenion ur le em de la machine:...63 III.5 Recherche de loi de commande par imulation : 65 III.5.1 Calage ne aiant pa appel au calcul direct de la poition :...65 III.5. Calage aiant appel à l inormation de poition :...68 III.5.3 Etimation de la vitee à partir de em:...7 III.6 Concluion 76 Chapitre IV. Détection de la poition à bae vitee IV.1 Etimation de la poition du rotor de la machine ynchrone 8 IV.1.1 Etimation à partir de courant tatorique :...8 IV.1.1.a Arrêt et bae vitee : 8 IV.1.1.b Ca où la vitee et importante : 81 IV.1. Etimation de la poition du rotor à partir de lux tatorique :...81 IV.1.3 Obervation de poition utiliant un obervateur d état :...83 IV.1.3.a Le iltre de Kalman : 83 IV.1.1.b Exemple d un modèle d état de la machine ynchrone : 84 IV. Simulation : 86 IV..1 Etimation de la poition du rotor à partir de courant tatorique :...88 IV..1.a. Commutation de courant de phae : 9 IV..1.b. Limitation : 91 IV.. Etimation de la poition du rotor à partir de lux tatorique:...9 IV..1.a. Correction par iltrage : 93 IV..3 Etimation de la poition par un iltre de Kalman :...95 IV..1.a. Application du iltre de Kalman ur de donnée expérimentale : 95 IV.3 Concluion 97 Chapitre V. Expérimentation globale V.1 Implantation ur DSP de la commande de la StARS : 1 V.1.1 Implantation de l identiication de paramètre de l induit :...1 V.1. Procédure de détection de la poition à l arrêt :...13 V.1.3 Implantation de l etimation de em à vitee uiante:...14 V.1.4 Commande de mode de marche :...17 iii
V.1.5 Programmation ou «viual code compoer tudio» :...11 V.1.6 Decription du dipoiti de commande réalié :...111 V. Expérimentation: 111 V..1 Eai en alternateur à vide :...113 V.. Eai d un démarrage à vide :...115 V..3 Implémentation de l etimation de poition à aible vitee :...116 V..4 Contrôle par dspace :...11 V..5 Réultat de eai à bae vitee :...13 V.3 Concluion : 131 Concluion générale. 137 Sigle MSRB MCC PMSM MAS StARS EMF Fem ou em PWM EEMF INFORM MRAC Facp Fcp Machine Synchrone à Rotor Bobiné Moteur à Courant Continu Permanent Magnet Synchronou Motor Moteur Aynchrone Starter Alternator Reverible Sytem ElectroMotive Force Force électromotrice Pule Wih Modulation Extended ElectroMotive Force model INdirect Flux detection by On-line Reactance Meaurement Model Réérence Adaptive Control Fonctionnement avec capteur de poition Fonctionnement an capteur de poition Table de principale notation Chapitre I: U DC i m C d r bat Tenion du bu continu. Courant dan le bu continu. Capacité de découplage à l entrée de l onduleur. Réitance de la batterie. iv
1p, p, 3p Ordre de commande de Moet relié à la borne poitive de la ource continue. 1n, n, 3n Ordre de commande de Moet relié à la borne négative de la ource continue. k Fonction de connexion d un emi-conducteur. u t = u α+ ju β Vecteur tenion délivré par l onduleur. U uw, U wv, U vu Tenion compoée aux borne de la machine. U Matrice colonne de tenion compoée de la machine. e uw, e wv, e vu Fem compoée de la machine. I U, I w, I V Courant de ligne à la ortie de l onduleur. π j e 3 a Facteur complexe de rotation valant. t m = ( 1 a a ) 3 Matrice ligne de tranormation vectorielle. v a, v b, v c Tenion imple de la machine. V Matrice colonne de tenion imple de la machine. V = v α + jv β Vecteur tenion imple de la machine. I a, I b, I c Courant tatorique de la machine (couplage étoile). I Matrice colonne de courant de la machine. I = i α + ji β Vecteur courant tatorique. ψ a, ψ b, ψ c Flux tatorique de la machine. α Ψ = ψ + jψ Vecteur lux tatorique. Ψ ψ, d ψ q β Matrice colonne de lux tatorique de la machine. Flux tatorique direct et tranvere. ψ md, ψ mq Flux de magnétiation direct et tranvere. k 1, k Coeicient d équivalence. N, N Nombre de pire au tator et au rotor. V, V ' ψ,ψ V d, V q I d, I q e d, e q e m, e c θ θ m ω Ω C e C r p J ρ L Tenion d excitation et a valeur ramenée au tator. lux d excitation et lux d excitation ramené au tator. Tenion tatorique directe et tranvere. courant tatorique directe et tranvere. Fem tatorique directe et tranvere. Valeur maximale de la em imple et de la em compoée. Poition angulaire électrique du rotor. poition angulaire mécanique du rotor. Pulation électrique de rotation de la machine. Pulation mécanique de rotation de la machine. Couple électromagnétique. Couple réitant. Nombre de paire de pôle. Moment d inertie de toute le partie tournante. Coeicient de rottement viqueux. Inductance propre de l enroulement de champ. v
L md, mq M a L M a R ' R, R ' L au tator. L L Inductance de magnétiation directe et tranvere. Maximum de l inductance mutuelle tator-rotor. Inductance propre d une phae tatorique. Mutuelle inductance entre deux phae tatorique. Réitance de l enroulement tatorique. Réitance de l enroulement inducteur et a valeur ramenée au tator. Inductance de uite de l enroulement inducteur et a valeur ramenée Inductance de uite de l enroulement tatorique. Chapitre II: Vect P= p + j p x E v, v V M I, I α G H U H, U H, U H θ 11, 1, 13 1,, 3 I lu, I lw, I lv J u, J w, J v A=L -M a y Variable de codage de la poition du rotor. Vecteur poition de la machine. Matrice ligne de em compoée de la machine. Compoante moyenne et alternative de la tenion d excitation. Valeur maximale de la tenion d excitation. Compoante moyenne et alternative du courant d excitation. Rapport cyclique du hacheur d excitation. Gain du hacheur. Signal de commande du hacheur, a valeur maximale et a compoante alternative. Poition initiale du rotor. Ordre de commande de Moet relié à la borne poitive de la ource continue. Ordre de commande de Moet relié à la borne négative de la ource continue. Courant de ligne à l entrée de la machine. Courant dan le phae de la machine. Inductance cyclique du tator. Chapitre III: V com Numéro du vecteur tenion impoé à la machine. u 1, u, u 3 tenion de ortie de l onduleur meurée par rapport à la cathode du U bu continu. Vecteur de tenion u 1, u et u 3 I 1, I, I 3 Courant de ligne du moteur.. I Vecteur de courant de ligne. I, V Amplitude du ondamental du courant et de la tenion tatorique. vi
V Tenion d excitation. I Courant inducteur. e 1, e, e 3 Fem imple du moteur. E Vecteur de em imple e α, e β Compoante biphaée du vecteur E. e α, e β Compoante biphaée etimée du vecteur E. v m Potentiel du neutre du tator câblé en étoile. U α,u β Compoante biphaée du vecteur tenion impoé au moteur. J α, J β Compoante biphaée du vecteur courant tatorique du moteur. θ e Argument du vecteur E. θ Poition électrique etimée du rotor. x d, x q Réactance directe et tranvere. C er Compoante réluctante du couple électromagnétique. C e Compoante ynchrone du couple électromagnétique. e Fem de rotation d axe en quadrature. R q δ Ψ Ψ opt γ k Angle de couple électromagnétique. Déphaage entre le courant tatorique et la em d axe tranvere. Calage optimal dan une commande en courant. Angle de calage en tenion. Facteur de réglage de la combinaion de em. Chapitre IV: [ R( θ )] V α, V β e α, e β I α, I β ψ ψ α, ψ β λ=m a I x x l k 1/ k k/ k = co( θ ) in( θ ) in( θ ) co( θ ) Matrice de rotation Compoante biphaée de tenion tatorique. Compoante biphaée de em tatorique. Compoante biphaée de courant tatorique. Vecteur lux tatorique. Compoante biphaée de lux tatorique. Flux d excitation. Déigne une grandeur etimée. Déigne une grandeur meurée. et la diérence L d -L q X + état prédit. X état etimé. P + Matrice de covariance de l erreur de prédiction k 1/ k P Matrice de covariance de l erreur d etimation. Matrice de covariance de bruit de meure. Q k Matrice de covariance de bruit d état. Gain du iltre de Kalman. k/ k R k K k vii
Introduction De no jour, dan un grand nombre d application indutrielle, le moteur à courant continu (MCC) ont graduellement remplacé par de moteur ynchrone à aimant permanent (PMSM). Cette ubtitution et jutiiée par le avantage de ce dernier à avoir la compacité, l eicacité, la robutee et l adaptation aux environnement hotile dan lequel la préence du collecteur mécanique et prohibée [LAJ'91]. En outre, avec l'avènement d aimant permanent perormant à champ coerciti et à induction rémanente élevé [GRE'97], il et devenu poible aux moteur ynchrone d être upérieur aux moteur à induction en terme de denité de puiance et de couple maique [CON'1]. Dan le machine ynchrone, le lux rotorique et obtenu à partir d aimant permanent ou d enroulement d excitation. Du ait de l abence de gliement, le commande vectorielle de machine ynchrone ont plu imple que celle de machine aynchrone (MAS) mai elle exigent la préence d un capteur de poition mécanique pour leur pilotage. Le capteur de poition du moteur ynchrone augmente eniblement l entretien, la complexité et le coût du ytème et de plu il altère la robutee et la iabilité de l'entraînement, le rendant encombrant et moin compétiti par rapport aux MCC et aux MAS onctionnant à v/ contant, en particulier dan le application à aible puiance. Pour ce raion, de grande action de recherche ont menée dan le but de développer une tratégie iable et peu coûteue pour la commande an capteur de machine ynchrone. De telle technique dite "enorle", ont généralement baée ur une etimation de la poition du rotor à partir de grandeur électrique tatorique du moteur telle que le courant ou le tenion de phae [SHI '4, LIN'3]. C et dan cette perpective que la ociété VALEO entreprend de upprimer le capteur de poition équipant e alterno-démarreur ynchrone comme la StARS (Starter Alternator Reverible Sytem), epérant aini réduire leur coût et améliorer leur iabilité par élimination de la connectique. En outre, le gain de place obtenu devrait permettre d accroître la puiance de la machine pour un même volume diponible. Notre travail prend place dan le contexte de la collaboration étroite entre la ociété VALEO Sytème Electrique à Créteil et le Laboratoire d Electromécanique de Compiègne (LEC). La miion qui nou et coniée et d imaginer et de valider une ou pluieur olution pour upprimer le capteur de poition, dan le ca de la machine StARS qui préente deux 1
particularité : il agit d une machine à rotor bobiné et elle et alimentée en pleine onde et non pa en PWM. Notre mémoire comprendra cinq partie : La première aborde le contexte général et le objecti de l étude. Dan un premier temp, l aociation batterie-convertieur-stars et préentée (Rappelon que cette aociation intallée dan un véhicule de aible cylindrée réalie la onction Stop-Start de l alterno-démarreur StARS: A l arrêt du véhicule, à un eu rouge par exemple, cette onction coupe automatiquement le moteur thermique et le redémarre intantanément et ilencieuement lorque le conducteur enonce la pédale d embrayage. Le avantage ont une économie de carburant, une diminution de nuiance onore au démarrage, une abence totale de bruit et d émiion polluante lorque le véhicule et à l arrêt). Dan un econd temp le cahier de charge de la détection de poition et le contrainte auxquelle notre entraînement et oumi ont expoé. Ceci nou a mené par la uite à rechercher de olution dan la littérature, une recherche qui a démontré que l état de l art actuel couvre largement la commande an capteur (enorle control) de machine ynchrone à aimant permanent mai rete muet ur le démarrage en pleine onde an capteur, notamment pour le machine ynchrone à rotor bobiné. La dernière partie du chapitre I et conacrée à la modéliation de la machine en vue de la imulation de on entraînement. Aini le beoin matériel de la commande peut être identiié par imulation avant le paage à une réaliation concrète ouvent onéreue. La econde partie du mémoire traite la détection de poition à l arrêt et l identiication paramétrique de l induit de la StARS. Cette ection reprend dan a majeure partie le contenu du brevet dépoé en commun accord avec la ociété Valeo. Le méthode indiquée pour la détection de la poition du rotor à l arrêt n utilient que de meure de tenion (de orce électromotrice plu exactement) et exploitent l excitation de l inducteur de la machine à l arrêt pour recontituer la poition de l axe polaire à partir d une démodulation ynchrone ou aynchrone de orce électromotrice induite au tator. L identiication paramétrique de l induit quant à elle néceite l emploi de deux capteur de courant. Elle exploite la répone en courant de enroulement tatorique pour la détermination de leur réitance et inductance. Elle ournit aui une inormation ur la poition du rotor à l arrêt valable uniquement dan le ca d une machine à pôle aillant.
Le troiième chapitre et conacré au démarrage de la StARS et à la détection de poition à vitee élevée. Comme la connaiance de la poition du rotor à l arrêt et néceaire au démarrage de la StARS dan le bon en de rotation, nou avon choii de décrire au début de ce chapitre comment utilier la détection à ±3 électrique dan le démarrage de la machine (expliquée au chapitre II, cette détection et caractériée par la implicité de a réaliation en analogique). Le démarrage du moteur à partir d une poition initiale détectée avec préciion et enuite abordé. Dan ce contexte, la imulation et exploitée pour monter l évolution du couple de démarrage en onction de la poition initiale du rotor en préence d une aturation magnétique. Aini, l application d une commande adéquate en onction de la poition du rotor à l arrêt permettra la rotation de la machine à partir d un couple maximum au démarrage. Nou expliquon enuite le ca où la vitee rotation du démarreur et importante (plu de 5 tr/mn) rendant poible la détection de la poition du rotor à partir de l etimation du vecteur de orce électromotrice tatorique. Le module de ce vecteur et exploité dan l etimation de la vitee du moteur. Cette oi encore, le chéma de détection rete imple et ne ait appel qu à deux capteur de courant (le même que ceux utilié pour l indentiication paramétrique de l induit). Une autre partie de ce chapitre et enuite dédiée à l élaboration de loi de contrôle permettant la maximiation du couple électromagnétique moyen du moteur commandé en tenion à partir d un calage angulaire onction de la vitee de rotation etimée. Ce loi ne ont pa intervenir le réglage du courant inducteur qui néceiterait dan la pratique un capteur de courant upplémentaire au ein de l excitation. L objet du quatrième chapitre et la recherche de olution permettant la détection de la poition du rotor à trè aible vitee lorque le em etimée ont aible et bruitée. Ceci et un problème délicat dan la meure où la charge de la StARS et un moteur thermique. En eet, dan le ca d une charge mécanique paive à aible inertie, il et poible de verrouiller la commande au démarrage juqu à ce que le rotor atteigne une vitee uiamment élevée pour pouvoir baculer le contrôle ur une détection de poition par le em de rotation. Mai dan le ca d un moteur thermique à orte inertie, il n et plu poible de onctionner par temporiation indépendamment de accélération ou de décélération de la charge. Nou nou omme donc baé ur l étude du comportement du modèle de la machine à aible vitee pour dégager de méthode permettant l etimation de la poition du rotor oit à partir de la compoante alternative de courant tatorique à la réquence de l excitation, oit à partir de l utiliation d obervateur. Le réultat de ce méthode ont développé et leur limitation technique oulignée. Il convient de noter là encore que la plupart de méthode 3
évoquée dan la littérature retent an uccè à caue, d une part, de l impoibilité de travailler en PWM, et d autre part, de la non contance du lux d excitation. La cinquième et dernière partie de ce mémoire préente notre expérimentation. Dan un premier temp nou introduion l implémentation de la commande an capteur (détection de poition à l arrêt, identiication de l induit, etimation de em en rotation et la commande de mode de marche) dan un proceeur de traitement de ignal type TMS3LF81. Le reource matérielle (timer, ADC, entrée/ortie logique) et logicielle (interruption vectoriée, développement en C orienté objet...) aini que a compatibilité avec le matériel de l entreprie en ont un bon outil de développement et de contrôle adapté à la commande an capteur. De eai de démarrage de l alterno-démarreur à vide ou légèrement reiné ont enuite réalié pour monter la validité de la méthode an capteur propoée. Dan un econd temp, nou préenton le banc d eai Valeo intallé au LEC. Ce dernier et doté d une machine à courant continu ou machine de charge onctionnant dan e quatre cadran (grâce à on alimentation par un convertieur piloté par une carte dspace DS113). La StARS a été montée ur ce banc pour y ubir de eai en charge. A aible vitee de rotation (où le intégration ont ujet à de oet) nou nou omme rendu compte que l exitence d oet intrinèque à l ADC du DSP nuiait à la préciion de l etimation de poition. Ceci nou a obligé à utilier la DS113 pour programmer la partie de la commande concernant la aible vitee. Nou avon particulièrement choii (et ça marche!) de réalier l etimation de la poition à aible vitee à partir de l etimation de lux tatorique pour de raion de rapidité d exécution, de implicité de tructure et de aiblee de la taille mémoire d implémentation (quant on ait que dan une application embarquée, d autre tache ont déjà aectée au proceeur ). Enin, nou terminon cette thèe par une concluion générale et de perpective ouverte. 4
Chapitre I Contexte et objecti de l étude I. *** Sommaire I.1 Contexte de l étude... 6 I.1.1 La machine :... 6 I.1. Le convertieur:... 9 I.1.3 La ource continue :... 1 I.1.4 Epace couple-vitee :... 13 I. Objecti de l étude : Suppreion du capteur de poition... 13 I..1 Cahier de charge de la détection de poition :... 14 I.. Méthode enorle rencontrée dan la littérature :... 14 I.3 Modéliation de la machine ynchrone à rotor bobiné (MSRB):... 17 I.3.1 Equation vectorielle de la MSRB :... 17 I.3. Equation ramenée au tator :... I.3.3 Modèle en lux de la machine ynchrone :... 1 I.3.4 Fonctionnement alternateur en régime permanent ynchrone à vide:... I.3.5 Prie en compte de la aturation :... 3 I.4 Concluion :... 5 5
Chapitre I. Contexte et objecti de l étude Ce premier chapitre a pour objet de préenter le contexte et le objecti de l étude de la commande an capteur de poition de l alterno-démarreur éparé StARS. I.1 Contexte de l étude Dan ce paragraphe, nou commençon par donner une brève decription de compoante de l entraînement étudié. Une vue générale de ce dernier et illutrée par la Figure I.1. Il agit eentiellement d une aociation de type ource-convertieur-machine compoée d un alterno-démarreur ynchrone de type StARS à rotor bobiné, d un onduleur de tenion et d une batterie de voiture alimentant le bu continu. L inducteur de la machine et alimenté par un hacheur érie intégré au convertieur électronique contenant l onduleur. StARS Bloc moteur thermique Convertieur électronique Circuit de reroidiement Batterie 1V Sortie triphaée Connectique capteur et excitation Démarrage rapide et ilencieux Alternateur Figure I.1 : Entraînement Batterie-Onduleur-StARS I.1.1 La machine : La StARS abriquée par l équipementier Valeo et repréentée ur la Figure I.. C et une machine ynchrone detinée à onctionner en alterno/démarreur dan une voiture de petite cylindrée. Reliée au moteur thermique par le biai d une courroie 1, cette machine réverible réalie à la oi la onction démarreur, l aitance éventuelle au moteur thermique et la production d énergie électrique. Selon on modèle et a puiance, la StARS peut avoir 6 paire de pôle ( 137 ) ou 8 paire de pôle ( 144). 1 Il agit alor d un alterno-démarreur ynchrone éparé (ADS), la courroie étant pécialement étudiée pour tranmettre le couple néceaire au démarrage du moteur thermique. Le ymbole déigne le diamètre de la machine en mm. 6
Chapitre I. Contexte et objecti de l étude Bague Balai Stator Enroulement tatorique Poulie Rotor à grie Bobine d excitation Hélice de ventilation (a) Vue externe Sortie du bobinage tatorique Figure I. : La StARS Valeo (b) Compoition interne l induit : La réérence [ALB'4] détaille la conception de l induit de alternateur à grie. La Figure I.3 donne une vue globale de leur réaliation. Le tator et contitué de tôle iolée pourvue d encoche pour loger le pire du bobinage. L épaieur de tôle et généralement de,5 mm et paroi de,35 mm. Le enroulement réalié ont triphaé et généralement couplé en triangle. La plupart de ce machine ont une encoche par pôle et par phae mai certaine en préentent deux. Dan le ca de la StARS, le tator et couplé en triangle et poède 5 pire par pôle et par phae. Ceci implique une trè aible réitance tatorique de l ordre de 36 mω pour le modèle StARS-137. (a) Bobinage tatorique Figure I.3 : Réaliation du tator (b) Feuilletage du tator l inducteur : Le rotor de la StARS et à grie et et du type hybride aociant un enroulement d excitation à de aimant permanent (c. Figure I.4). Ce dernier, placé entre le grie, créent une aimantation tangentielle réduiant le uite magnétique entre grie. L enroulement d excitation et contitué d une eule bobine placée entre de plateaux à 7
Chapitre I. Contexte et objecti de l étude grie, permettant de créer le pôle. Cette bobine et alimentée par un ytème baguebalai. Le lecteur intéreé trouvera plu de détail dan la réérence [ALB'4]. (a) Rotor hybride (b) Vue du bobinage d excitation Figure I.4 : Vue d un rotor à grie bobiné. Dan une StARS-137, l enroulement inducteur comporte 18 pire et préente une réitance d environ.57.ω. Par ailleur, la onction alterno-démarreur de la machine impoe une conception mécanique robute de la roue polaire de manière à upporter de contrainte importante en charge en mode moteur et de vitee upérieure à 15 tr/mn en alternateur. Le capteur de poition : L inormation de poition de la StARS et délivrée par un capteur de poition monté à l arrière de la machine (c. Figure I.5). Balai d excitation Connectique du capteur de poition Capteur à eet hall et dipoiti de calage Vi de verrouillage du calage (a) Vue arrière de la StARS (b) Vue du capteur de poition Figure I.5 : Capteur de poition et on emplacement Le capteur de poition comprend [PLA'3]: - une cible magnétique olidaire du rotor, poédant un nombre de paire de pôle p égal à celui de la machine. - troi capteur à eet Hall olidaire du tator, décalé de π/p degré électrique. 8
Chapitre I. Contexte et objecti de l étude Avec ce dipoiti, l inormation de poition et codée ou orme de troi ignaux rectangulaire décalé de 1 degré électrique ormant ix ront par période électrique. La poition du rotor et alor détectée avec une préciion de ±3 électrique. I.1. Le convertieur: Le chéma ynoptique du convertieur alimentant l alterno-démarreur et illutré par la Figure I.6. Le convertieur Valeo intègre à la oi un onduleur à troi bra de pont et un hacheur d excitation érie. La Figure I.7.a préente la vue globale d un prototype de convertieur. Ce dernier et compoé d un diipateur en aluminium ur lequel et dipoé un ubtrat de puiance et une carte de commande Figure I.7.b. Ce compoante ont montée dan un boîtier en platique étanche, dan lequel ont urmoulé le connexion de puiance et le connecteur d entrée/ortie ver le véhicule [PLA'3]. Convertieur électronique Hacheur d excitation Onduleur Alterno-démarreur Inducteur Batterie 1V Machine ynchrone Capteur de poition àeet Hall Logique de commande Figure I.6 : Synoptique de l enemble ource-convertieur-machine Le ubtrat de puiance intègre le hacheur et l onduleur de tenion réalié avec de tranitor MOSFET de réitance unitaire 4.mΩ. Grâce à l utiliation d un microcontrôleur, la commande peut intégrer le onction Stop-Start, la getion de la batterie et le onction de protection et de diagnotic. 9
Chapitre I. Contexte et objecti de l étude Diipateur (borne négative du bu continu) Sortie triphaée Connecteur du bu entrée/ortie Borne poitive du bu continu (a) Prototype du convertieur (b) Circuit de commande Figure I.7 : Préentation du convertieur Valeo Le hacheur intégré ervant à l excitation du bobinage inducteur de la machine et du type érie et et compoé d un interrupteur T 1 bidirectionnel en courant et d une diode de roue libre D montée en ortie (c. Figure I.8). D 1 Cette dernière préente une chute de T 1 I tenion non négligeable de l ordre de 1V. Alimenté par le bu continu du U DC D convertieur, ce hacheur délivre une tenion de ortie de rapport cyclique Figure I.8: Structure du hacheur érie alimentant le réglable entre 5% et 95%. Pendant 4.m bobinage rotorique avant le démarrage de l ADS, eul le hacheur et activé pour garantir la condition d établiement du lux magnétiant dan la l alterno-démarreur. Dè que cette condition et réaliée, la logique de contrôle active l onduleur. Ce dernier et commandé diéremment elon le mode de onctionnement de la machine: En mode démarreur, il alimente la StARS autopilotée par on capteur de poition. Le tenion appliquée au tator ont ynchroniée ur la poition du rotor. Un calage initial et optimié pour obtenir un couple de démarrage maximal. A partir d une certaine vitee (proche de 5 tr/mn), l électronique de contrôle génère un décalage ixe de 6 électrique entre le ignaux du capteur de poition et le ordre de commande de l onduleur de manière à avancer le ondamental de tenion appliquée ur celui de em (c. Figure I.9). Si un blocage du rotor et détecté par le capteur de poition, l onduleur et inhibé. Enroulement inducteur 1
Chapitre I. Contexte et objecti de l étude U uw δ e uw t Figure I.9 : Déinition du calage (ca où δ =3 électrique) En mode alternateur, l onduleur onctionne en redreement ynchrone : Un MOSFET et rendu conducteur quand la tenion aux borne de a diode intrinèque devient poitive et et bloqué lorque le courant de cette diode annule. Ce mode ne era pa l objet de notre étude. Modéliation du convertieur: Dan une aociation du type ource-machine-convertieur, le contante de temp électrique et mécanique de la machine ont trè grande devant le temp de commutation de emi-conducteur [BAB'1, LED'81]. Nou uppoeron alor le convertieur idéal et nou repréenteron le emi-conducteur par de interrupteur à commutation intantanée (c. Figure I.1). Cette approximation et d autant plu acceptable que l onduleur et commandé en pleine onde et qu il n y a que deux commutation par période. Elle deviendrait dicutable dan un onctionnement en PWM. A l état paant, chaque MOSFET e comporte comme une réitance R DSon qui era incorporable à celle de ligne, de la connectique et de bobinage tatorique. Cette idéaliation permet de impliier la modéliation et d accélérer la imulation. D autre part, l onduleur étant du type à ource de tenion, le tenion compoée impoée à la ortie de l onduleur ont paraitement connue [LAB'95] et ont pour expreion: U = ( ) U, U = ( ) U Uvu = ( Uuw + Uwv ) uw 1p p DC wv p 3p DC i m 1p p 3p I U U U uw W U wv V I V 1n n 3n (1.1) où le kp (k=1,,3) et le kn ont le onction de connexion de interrupteur repectivement connecté à la borne poitive et à la borne négative du bu continu de tenion U DC. La onction de connexion d un interrupteur k [FRA'96, HAU'99] et déinie par: Bu continu + U DC - Figure I.1 : Modèle de l onduleur 11