Choix de la stratégie de commande

 Avantages et inconvénients du contrôle scalaire

Le contrôle scalaire est la stratégie de commande de la machine asynchrone la plus ancienne. Elle équipe le plus grand nombre de variateurs, ceux qui ne né- cessitent pas de fonctionnements à basses vitesses avec fort couple (ventilation, compression, climatisation, pompage....) ou des performances dynamiques très éle- vées [dWA00a]. Un positionnement de la machine avec ce type de contrôle n'est pas envisageable. Par contre, il est très simple à implanter, ne nécessite pas une puissance de calcul importante, ni un coût de captation très élevé puisque peu de grandeurs du système sont à connaître pour sa mise en oeuvre. Seule la mesure de la vitesse est nécessaire dans le cas du contrôle scalaire indirect alors que dans le cas du contrôle scalaire direct, la connaissance du module du ux est en plus nécessaire.

La mesure des courants statoriques peut aussi être nécessaire dans le cas où une alimentation en courant est eectuée au moyen de l'onduleur MLI régulé en courant.

 Avantages et inconvénients du contrôle vectoriel

Le contrôle vectoriel est beaucoup plus complexe à réaliser que le contrôle scalaire, nécessite une puissance de calcul plus importante et a un coût de captation, lui aussi, plus important. Il ne peut pas être mis en oeuvre sans la connaissance des courants statoriques, la vitesse de rotation de la machine et la position du ux considéré. Mais en contrepartie, les performances obtenues sont bien meilleures, notamment lors des régimes transitoires. De plus, le contrôle vectoriel permet un fonctionnement satisfaisant à très basse vitesse et à l'arrêt.

Les performances de la loi de commande dépendent totalement du parfait dé- couplage entre les deux grandeurs principales de la machine : le ux et le couple. Cette contrainte se traduit par la nécessité d'une parfaite connaissance de la posi- tion du ux à contrôler dans l'espace.

La méthode directe implique la mesure du ux de la machine ou bien la mise en place d'algorithmes d'estimation ou d'observation du ux. Le fait de contrôler le ux dans la machine permet d'éviter les surintensités et d'obtenir un meilleur ren- dement que lorsque ce dernier n'est pas maîtrisé. Mais la mesure du ux augmente le prix de la machine, les algorithmes sont lourds et peu robustes aux variations pa- ramétriques même si l'utilisation d'observateurs ou de structures complexes d'esti- mation ont permis de réduire la sensibilité du contrôle par rapport à ces variations, sans pour autant l'annuler (cf. chapitre 3). Par contre la suppression du capteur de vitesse est possible même si, du fait que la vitesse de rotation intervienne ex- plicitement dans l'algorithme de commande, les erreurs sur l'estimation de cette vitesse dégradent les performances du variateur.

La méthode indirecte (avec orientation du ux rotorique) est très utilisée industriellement car elle est très simple à mettre en oeuvre (du fait que l'on n'ait pas besoin de connaître le module du ux). Mais elle exige la présence d'un capteur de position du rotor. Ce type de contrôle est très dépendant de la connaissance de la constante de temps rotorique. Une mauvaise estimation de cette dernière provoque des erreurs d'estimation sur la position du ux. Il faut alors mettre en place des algorithmes qui permettent d'identier cette constante de temps en ligne, ce qui complique considérablement les choses et fait perdre à cette méthode son caractère "facile à mettre en oeuvre".

 Avantages et inconvénients du contrôle direct de couple

Les grandeurs du système à connaître sont le couple, le ux et la vitesse de rotation de la machine. Équiper le système de capteur de couple et de ux élève sensiblement le coût de captation. Estimer ou observer ces deux grandeurs com- plexie l'algorithme de base. Mais malgré cela, de part son principe et dans sa forme initiale, ce type de contrôle est assez simple à mettre en oeuvre. Là encore, l'utilisation d'algorithmes d'estimation de la vitesse identiques à ceux employés dans le cas du contrôle vectoriel est envisageable an de supprimer le capteur de vitesse. Avec l'avantage de ne pas trop dégrader les performances du contrôle puisque, contrairement au contrôle vectoriel, la connaissance de la vitesse ne sert qu'à sa régulation et n'est pas reprise pour les transformations de coordonnées.

De plus, il présente des avantages bien connus par rapport aux techniques conventionnelles, notamment en ce qui concerne :

- la réduction du temps de réponse du couple. D'excellentes caractéristiques dy- namiques sont obtenues et elles s'étendent à une très large plage de fonctionnement couple/vitesse,

- l'amélioration de sa robustesse par rapport aux variations des paramètres de la machine et l'alimentation. Comme dans le cas du contrôle vectoriel, le ux doit être connu. Là encore, des algorithmes d'estimation ou d'observation sont utilisés. Les études faites sur le sujet ont montré leur robustesse aux variations paramétriques. Quant aux variations de la tension continue d'entrée de l'onduleur, elles n'inuent pas sur les performances du fait de l'utilisation de régulateurs de type hystérésis,

- la non-utilisation de transformation de coordonnées dans des axes tournants. Un des inconvénients majeurs de ce type de contrôle, est l'utilisation de contrô- leurs à hystérésis. La fréquence de commutation est variable et dicile à maîtriser. Ce qui conduit à :

- ne pas maîtriser totalement le contenu harmonique réinjecté coté source d'ali- mentation,

- la diculté à maîtriser les pertes (pertes par commutation dans l'onduleur, pertes fer dans le moteur) pouvant entraîner une élévation excessive du niveau thermique

- la variation du niveau sonore avec la génération d'un bruit audible excessif en certains points de fonctionnement,

- des problèmes liés à la compatibilité électromagnétique de l'équipement, - la possibilité de provoquer des résonances mécaniques indésirables (fatigue, vieillissement prématuré).

Des études ont été consacrées à l'obtention d'une meilleure maîtrise des har- moniques et/ou de la fréquence de commutation des interrupteurs de l'onduleur. Ce qui engendre le développement d'algorithmes complexes qui fait perdre le coté "simplicité de mise en oeuvre" du contrôle dans sa version originale.

En outre, la dicrétisation en vue d'une implémentation en temps réel et le nombre limité de vecteurs tension disponibles engendre la présence d'une ondu- lation sur le courant et le couple. La période d'échantillonnage de la commande doit être la plus courte possible pour assurer une bonne qualité de contrôle du variateur et réduire l'ondulation des grandeurs contrôlées.

 Tableau récapitulatif et choix eectué

An de justier du choix de stratégie de commande pour cette étude, un tableau comparatif entre les diverses stratégies de commande de la machine asynchrone mentionnées dans les paragraphes précédents a été dressé(tableau 2.1). En fonction du cahier des charges retenu, ce tableau comparatif a été établi selon les critères suivants :

- les performances de la loi de commande notamment à basse vitesse (capacité à produire et maîtriser un couple élevé à basse vitesse),

- les grandeurs nécessaires pour la mise en oeuvre de la stratégie qui laisse augurer du nombre de capteurs à utiliser ou bien des algorithmes (et de la puissance

de calcul) à utiliser pour les remplacer et minimiser leur nombre,

- le coût capteur et la volonté de réduire celui-ci à son minimum avec notamment en premier lieu, la possibilité de s'aranchir de la présence du capteur de vitesse,

- la volonté de maîtriser la fréquence de commutation de l'onduleur an de garantir un confort d'utilisation maximum à l'utilisateur.

Par rapport à notre cahier des charges, il est indispensable de pouvoir pilo- ter le couple de la machine asynchrone à basse vitesse et même à l'arrêt. Cette contrainte élimine automatiquement le choix des deux types de contrôle scalaire puisque leurs caractéristiques ne le permettent pas. La contrainte de pouvoir sup- primer le capteur mécanique de notre système élimine le contrôle vectoriel indirect à orientation du ux rotorique. Le choix entre le contrôle vectoriel direct (à orien- tation statorique ou rotorique) et le contrôle direct de couple, ne s'est pas fait sur la capacité de ces deux types de contrôles à atteindre les performances dynamiques demandées dans le cahier des charges. En eet, les deux types de contrôles peuvent remplir cette contrainte de notre cahier des charges. Le choix s'est fait plutôt en fonction du fait que l'on a souhaité utiliser un modulateur pour la commande rap- prochée de l'onduleur. L'utilisation d'un modulateur s'avère être pénalisante dans le cas des fortes puissances et à basse fréquence de modulation car il provoque des retards qui sont responsables d'une augmentation du temps de réponse en couple [dWA00a]. Vu la puissance de notre application, l'utilisation d'un modulateur n'est pas pénalisante. Par contre, le modulateur garantit une fréquence de commutation xe que l'on peut régler comme l'on veut de manière à garantir un niveau sonore confortable pour les utilisateurs. Cette volonté d'utiliser un modulateur vient aussi du fait qu'il va être mis à prot dans notre recherche de minimisation du nombre de capteurs et notamment lors de la suppression des capteurs de courants placés au stator de la machine (cf. chapitre 3). Le contrôle vectoriel direct utilise natu- rellement un modulateur. L'association du contrôle direct de couple DTC avec un modulateur est aussi possible. Mais l'utilisation de ce dernier complexie énormé- ment l'algorithme de commande du DTC. Il est notamment nécessaire de résoudre un système d'équations quadratiques [Fil02]. C'est pourquoi, le contrôle vectoriel direct a été retenu pour notre application.

Le contrôle vectoriel direct à orientation du ux statorique est connu pour être plutôt adapté aux grandes vitesses [LM92]. Pour l'application traitée ici, la zone de vitesse où une maîtrise du couple importe le plus est celle des basses vitesses. De plus, le couplage entre le couple et le ux est plus fort que dans le cas du contrôle vectoriel direct à orientation du ux rotorique puisque la création du ux fait appel au courant isq. Tenant compte de ces éléments, le contrôle vectoriel direct à orientation du ux rotorique a été choisi.