Article de référence | Réf : D2901 v1

Principe de commande
Commande prédictive des machines électriques tournantes

Auteur(s) : Florent MOREL

Date de publication : 10 nov. 2009

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Présentation

RÉSUMÉ

Le contrôle de la vitesse et de la position d'une machine électrique passe par le contrôle précis du couple qu'elle fournit. La commande prédictive possède de nombreux avantages dans la recherche de dynamiques de couples toujours plus grandes et d’oscillations en régime permanent toujours plus faibles : simplicité du concept, réglages intuitifs et facilité d'implémentation. La disponibilité d'unités de calculs rapides bon marché lui permet d’engendrer significativement plus de calculs à chaque occurrence de calculs que ses concurrentes. Cet article présente le concept de commande prédictive appliquée aux ensembles convertisseurs-machines, avec notamment la machine synchrone à aimants permanents associée à un onduleur triphasé à deux niveaux. Des exemples de variantes dressent ainsi un panorama complet des possibilités offertes par la commande prédictive.

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ABSTRACT

Controlling the speed and position of an electrical machine is achieved through the precise control of its torque. The feedforward controller has many advantages in the search for increasingly higher torque dynamics and lower oscillations in permanent regime: simplicity of the concept, intuitive adjustments and easy implementation. The availability of cheap and rapid calculation units enables it to carry out a much more significant number of calculations than its competitors at every occurrence. This article presents the concept of the feedforward controller applied to the convertor-machine systems with, in particular the synchronous machine with permanent magnets associated to a three-phase two-level inverter. Examples of variations thus provide a complete panorama of the possibilities offered by the feedworward controller.

Auteur(s)

  • Florent MOREL : Maître de conférences - École centrale de Lyon – Département EEA Laboratoire AMPERE – UMR CNRS

INTRODUCTION

Le contrôle des machines électriques est quasiment systématiquement effectué selon le principe des boucles imbriquées. Dans le cas très courant d'un asservissement de vitesse, la boucle interne doit imposer le couple de la machine ; elle reçoit une consigne générée par la boucle de vitesse. Dans le cas d'un asservissement de position, la boucle de vitesse reçoit une consigne générée par une boucle externe dite boucle de position. Ainsi, le contrôle de la vitesse et de la position d'une machine électrique passe par le contrôle précis du couple qu'elle fournit.

De nombreux travaux ont été menés dans le but d'obtenir des dynamiques de couples toujours plus grandes, des oscillations en régime permanent toujours plus faibles... Parmi les principes de commandes qui sont apparus, la commande prédictive présente de nombreux avantages tels que la simplicité du concept, les réglages intuitifs et la facilité d'implémentation. Cependant, elle engendre significativement plus de calculs à chaque occurrence de calculs que ses concurrentes. Ainsi, sa mise en œuvre n'est possible que depuis peu, grâce à la disponibilité d'unités de calculs rapides et bon marché.

Le concept de commande prédictive appliquée aux ensembles convertisseurs-machines est présenté dans ce dossier. L'exemple de la machine synchrone à aimants permanents associée à un onduleur triphasé à deux niveaux est ensuite utilisé pour montrer, pas à pas, comment décliner ce principe de commande à une application donnée. Enfin, des exemples de systèmes et des variantes de la commande sont étudiés afin de dresser un panorama des possibilités offertes par la commande prédictive des machines tournantes.

La modélisation de systèmes composés d'un convertisseur d'électronique de puissance associé à une machine tournante fait apparaître des grandeurs continues (c'est-à-dire ne pouvant pas présenter de discontinuité) comme par exemple, le courant dans les enroulements de la machine ou les tensions aux bornes de capacités. Dès lors que des composants d'électronique de puissance sont utilisés, les temps de commutations des diodes et transistors sont de plusieurs ordres de grandeur plus courts que les constantes de temps des autres éléments du système. Comme les régimes transitoires qui apparaissent lors des commutations des composants d'électronique de puissance peuvent ne pas être pris en compte pour le modèle utilisé par la commande, on peut considérer que ces composants ne peuvent avoir que deux états (passant ou bloqué). Chaque composant d'électronique de puissance pouvant avoir un nombre fini d'états, il apparaît que le nombre de configurations possibles du convertisseur complet est fini. Les variables continues ne sont donc pas satisfaisantes pour la description d'ensembles convertisseurs-machines. Il apparaît alors naturel d'utiliser des variables discrètes (c'est-à-dire pouvant prendre un nombre fini de valeurs) pour modéliser les différents états des composants d'électronique de puissance. Les systèmes considérés (associations convertisseurs-machines) sont donc modélisés en utilisant conjointement des variables continues et discrètes.

L'approche présentée vise à contrôler un ensemble convertisseur de puissance-machine tournante en déterminant directement la configuration du convertisseur de puissance à adopter. Ainsi, en considérant la nature discrète de l'état du convertisseur, on détermine une loi de commande applicable sans modulateur.

L'aspect prédictif de l'approche détaillée ici repose sur la prédiction de l'évolution de l'état des grandeurs à contrôler (généralement des grandeurs continues) pour chaque configuration admissible (parmi les configurations possibles, certaines ne sont pas admissibles dans le sens où elles conduiraient, par exemple, à court-circuiter une source de tension). Ces prédictions sont effectuées lors de chaque période d'échantillonnage à partir de mesures et d'un modèle de l'ensemble convertisseur-machine. Elles sont utilisées afin de sélectionner la configuration optimale du convertisseur en fonction d'un critère prédéfini.

Le choix de la configuration appliquée étant basé sur un critère d'optimisation ou une fonction coût, il est aisé de mettre en œuvre des commandes réalisant des compromis entre des consignes diverses (courants, tensions, facteurs de puissance, nombre de commutations...). L'effet des différents coefficients intervenant dans la fonction coût est généralement facile à comprendre, le réglage de la commande est alors intuitif.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d2901


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1. Principe de commande

1.1 Type de modèle utilisé

Un ensemble convertisseur-machine peut être modélisé sous la forme de l'équation :

( 1 )

avec :

 : 
vecteur contenant les variables d'état du système (qui sont des grandeurs continues),
 : 
vecteur de commande .

Ce vecteur de commande dépend de la configuration du convertisseur ; à un instant donné, il ne peut prendre qu'un nombre fini n de valeurs, n étant le nombre de configuration admissibles du convertisseur.

Le modèle utilisé doit permettre de prédire l'état du système après une durée T, pour chaque configuration i admissible du convertisseur. Ce modèle n'est pas nécessairement linéaire et, pour la durée T considérée, les trajectoires des vecteurs d'état dans l'espace d'état peuvent être rectilignes ou non.

La recherche d'un modèle simplifié est un point déterminant pour la réussite de la mise en œuvre pratique. En effet, un modèle trop simple n'est pas représentatif du système sur une zone suffisamment grande de...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ARAHAL (M.R.), BARRERO (F.), DURAN (M.J.), GREGOR (R.), TORAL (S.) -   A proof of concept study of predictive current control for VSI driven assymetrical dual three-phase AC machines.  -  IEEE Transactions on Industrial Electronics (2009).

  • (2) - BUJA (G.S.), KAZMIERKOWSKI (M.P.) -   Direct torque control of PWM inverter-fed AC motors – a survey.  -  IEEE Transactions on Industrial Electronics, 51(4), p. 744-757, août 2004.

  • (3) - CHAKRABARTI (S.), JAHNS (T.M.), LORENZ (R.D.) -   Current regulation for surface permanent-magnet synchronous motor drives using integrated current sensors in low-side switches.  -  IEEE Transactions on Industry Applications, 42(4), p. 1080-1091, juil.-août 2006.

  • (4) - CORTES (P.), RODRIGUEZ (J.), QUEVEDO (D.E.), SILVA (C.) -   Predictive current control strategy with imposed load current spectrum.  -  IEEE Transactions on Power Electronics, 23(2), p. 612-618, mars 2008.

  • (5) - CORTES (P.), RODRIGUEZ (J.), VARGAS (R.), AMMANN (U.) -   Cost Function-based Predictive Control for Power Converters.  -  Actes de la conférence IEEE IECON 2006 – 32nd Annual Conference...

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