Les principales stratégies de commande de la machine asyn-

Seules les stratégies de commande utilisant un onduleur de tension sont présen- tées. Elles peuvent être regroupées en deux catégories : les commandes en durée et les commandes en amplitude.

Les lois de commandes en durée sont basées sur un modèle moyen du pro- cessus. Ce sont des commandes rapprochées à modulation de largeur d'impulsion (MLI) où la fréquence de découpage de l'onduleur est imposée et l'amplitude de la tension variable. Elles permettent les deux types d'alimentation de la machine ; la MLI imposant la valeur moyenne du vecteur de tension sur une période de dé- coupage. Deux types de contrôle sont utilisables autour de ce concept : le contrôle scalaire (contrôle des grandeurs en amplitude), et le contrôle vectoriel (contrôle des grandeurs en amplitude et en phase).

Les lois de commandes en amplitude, par opposition aux lois de commandes en durées, sont basées sur le modèle instantané du processus. On trouve là, comme type de commande, la commande directe de couple (DTC). Ces commandes consistent à imposer un vecteur tension à l'onduleur à partir du contrôle du couple et du ux, à l'aide de régulateur à hystérésis. Ce vecteur tension n'est autre que l'un des sept vecteurs tension physiquement disponible ou instantanément attei- gnable. De part ce principe, seule une alimentation en tension de la machine est possible.

2.2.4.1 Le contrôle scalaire

Le contrôle du couple de la machine asynchrone nécessite le contrôle de son ux magnétique, selon deux méthodes :

- le contrôle indirect, en imposant à la machine le module de la tension ou du courant statorique en fonction des fréquences (lois de régime permanent),

- le contrôle direct, en régulant le module du ux ce qui nécessite sa mesure ou son estimation.

La deuxième méthode, plus compliquée à mettre en oeuvre, permet de mieux imposer le ux au cours des régimes transitoires.

Une fois le ux imposé, le contrôle du couple ne dépend plus que de la pulsation des courants rotoriques !r. Pour contrôler cette pulsation, on utilise un "autopilotage" de la fréquence statorique par la vitesse de rotation, en reproduisant à l'extérieur de la machine, la relation fondamentale qui existe entre les pulsations dans la machine asynchrone !s = np + !r ( étant la vitesse mécanique de la machine) [dWA00a].

 Le contrôle indirect

A partir du modèle de la machine asynchrone en régime permanent sinusoïdal, il est possible d'exprimer le module de la tension statorique de la machine en fonction du ux statorique, des pulsations statoriques et rotoriques. Il est aussi possible d'exprimer le module du courant statorique de la machine en fonction

+

+

Onduleur de tension E MAS de vitesse Charge MLI Génération des références vs1ref vs2ref vs3ref

np !r !s kvsk F (!s; !r; s) sref

Fig. 2.9  Commande scalaire avec contrôle indirect du ux (alimentation en ten- sion)

du ux statorique et de la pulsation rotorique [dWA00a]. Le principe du contrôle scalaire indirect est de reprendre ces expressions mathématiques et de calculer le module de la tension statorique ou du courant statorique, valeurs qui servent de référence à la MLI pour élaborer les ordres de commande de l'onduleur (gure 2.9).

La loi la plus connue est la loi vs

fs = s = cste. L'amplitude de la tension

statorique est élaborée en fonction la fréquence statorique (dénit par la relation d'autopilotage) de manière à maintenir la valeur du ux statorique constante [dWA00a].

 Le contrôle direct

Pour améliorer les performances du contrôle indirect, il est possible de réguler le ux pour l'imposer en régime transitoire et obtenir ainsi un comportement beau- coup plus acceptable [dWA00a]. La sortie du régulateur de ux va délivrer soit le module du courant ou de la tension statorique qu'il faut appliquer à la machine pour obtenir le fonctionnement désiré. Le contrôle du couple se fait toujours de la même façon, c'est à dire au moyen de la relation d'autopilotage de la machine asynchrone (gure 2.10).

+

+

+

-

Onduleur de tension E MAS Capteur de vitesse Charge MLI Génération des références Régulateurs de courants Régulateur de ux is1 is2 is3 is1ref is2ref is3ref

vs1ref vs2ref vs3ref

np

!r !s

kisk rref

^r

Fig. 2.10  Commande scalaire avec contrôle direct du ux (alimentation en cou- rant)

2.2.4.2 Le contrôle vectoriel

La méthode de contrôle vectoriel de la machine asynchrone est basée sur la modélisation de la machine asynchrone dans le repère tournant dq (équations de Park, cf. 2.2.2.2) et sur le choix de lier l'axe d de ce repère à un ux magnétique de la machine. Il existe trois possibilités conduisant à des modèles d'actions diérents selon que l'axe d soit lié au ux statorique, rotorique ou d'entrefer de la machine. Dans les nombreuses études menées sur le sujet, l'axe d du repère tournant dq a été xé soit au ux statorique [XN91] ou bien au ux rotorique [Jac95], [Our95]. On parle alors, respectivement, de contrôle vectoriel à orientation de ux statorique et de contrôle vectoriel à orientation de ux rotorique.

Le fait de modéliser la machine dans le repère tournant dq et de lier l'axe d à un des ux magnétiques de la machine (rotorique ou statorique) amène aux deux constats suivants (cf. annexe A) :

- quelque soit le référentiel choisi, le couple est proportionnel au produit du ux par la composante du courant statorique en quadrature avec le ux (isq).

- quelque soit le référentiel choisi, un découplage entre l'axe d et l'axe q est possible. Dans le cas de l'alignement de l'axe d selon le vecteur ux rotorique, ce découplage est obtenu de manière naturelle. En eet, cette alignement conduit à une expression du ux rotorique uniquement dépendante de la composante du courant statorique en phase avec le ux, isd, et indépendante de la composante du courant statorique en quadrature avec le ux isq. Par contre, dans le cas d'un

+ + - - + + - - _- + Onduleur de tension E MAS Charge Modulateur Régulateur de ux Régulateur de vitesse Régulateur de courant isd Régulateur de courant isq ksrefk k^sk k^sk ref isqref isdref isq isd vsqref vsdref

vs1ref vs2ref vs3ref

isq Détermination

du ux stator Mesures

Transformation de coordonnées dq ! 123 Transformation de coordonnées 123 ! dq Courants statoriques Terme de découplage

Fig. 2.11  Synoptique d'un contrôle direct à orientation de ux statorique (ali- mentation en tension)

alignement de l'axe d selon le vecteur ux statorique, le découplage entre les deux axes d et q n'est pas immédiat. En eet, l'expression du ux statorique dans ce référentiel contient à la fois un terme lié à la composante du courant statorique en phase avec le ux, (isd), et un terme lié à la composante du courant statorique en quadrature avec le ux (isq). Pour obtenir ce découplage, il est nécessaire d'eectuer une compensation de ce terme [LM92].

Ces deux constats conduisent alors à pouvoir envisager un fonctionnement de la machine asynchrone comparable à celui d'une machine à courant continu à ex- citation séparée où :

- le courant isd est l'équivalent du courant inducteur et sa maîtrise permet de contrôler le ux magnétique de la machine ;

- le courant isq est l'équivalent du courant d'induit et sa maîtrise permet de contrôler le couple électromagnétique.

Le ux considéré et le couple électromagnétique de la machine peuvent donc être contrôlés séparément par deux boucles de régulation indépendantes des deux composantes du courant statorique de la machine. An de donner un exemple, le schéma de la gure 2.11 illustre les deux chaînes de régulation par orientation du ux statorique dans le cas d'une alimentation en tension de la machine.

Deux réalisations pratiques du contrôle vectoriel sont possibles :

- méthode dite directe : une régulation du ux considéré est eectuée. La posi- tion et le module du ux sont utilisés : le module pour la régulation de ux et la position pour les transformation triphasées ! diphasées ou diphasées ! tripha- sées. Ces deux informations sont obtenues à partir de la mesure directe de ux ou bien à partir d'une estimation en utilisant des estimateurs ou observateurs.

- + - + Onduleur de tension E MAS Charge Table de commutation Hystérésis du ux Hystérésis du couple sref ^s Cemref ^ Cem Détermination du ux stator et du couple électromag. Mesures Secteur

Fig. 2.12  Synoptique d'une stratégie DTC

- méthode dite indirecte : quelques approximations sont faites et on s'aranchit de la régulation de ux et par conséquent de la connaissance de son module. Seule la position du ux considérée, utilisée pour les transformations de coordonnées, est calculée à partir de la mesure de la vitesse du rotor et d'autres grandeurs accessibles comme les tensions ou les courants stator. La méthode indirecte avec orientation du ux rotorique est assez utilisée dans l'industrie. La méthode indirecte avec orientation du ux statorique est aussi possible. Cependant, aucune référence dans la littérature utilise cette technique [LM92].

2.2.4.3 Le contrôle direct du couple

L'idée de base est ici de contrôler des grandeurs instantanées rapides et signi- catives de l'état électromagnétique du système. La stratégie DTC correspond à un contrôle direct du ux statorique et du couple électromagnétique d'une machine asynchrone (il est préférable de piloter le ux statorique plutôt que le ux rotorique car sa dynamique de variation est nettement plus rapide) [eH99]. La suppression de l'étage MLI est la principale caractéristique dans une commande DTC. Ainsi, la génération des commandes de l'onduleur se fait de façon directe, sans l'intermé- diaire de cet étage. Deux contrôleurs d'hystérésis pour le couple et le ux assurent la régulation séparée de ces deux grandeurs.

L'objectif d'une commande DTC est de maintenir le couple électromagnétique et le module du ux statorique à l'intérieur des bandes d'hystérésis par le choix de la tension de sortie de l'onduleur. Lorsque le couple ou le module du ux statorique atteint la limite supérieure ou inférieure de l'hystérésis, un vecteur tension appro- prié est appliqué pour ramener la grandeur concernée à l'intérieur de sa bande

d'hystérésis. Pour choisir le vecteur de tension, il est fondamental de connaître les règles d'évolution du couple et du module du ux statorique. Diérentes stratégies de contrôle sont développées à partir des règles d'évolution du module du ux sta- torique et du couple de la machine asynchrone en connaissant la position du ux statorique dans le plan complexe. Le plan complexe est découpé en 6 secteurs et ces stratégies donnent lieu à diérentes tables de commutations, qui permettent de connaître les diérents vecteurs de tension actifs à appliquer an de pouvoir maintenir le module du ux statorique et le couple électromagnétique à l'intérieur des bandes de tolérance dénies. Plusieurs tables de commutation ont été propo- sées dans la littérature. La plus connue est celle proposée par Takahashi [TN85], table de commutation de base du contrôle direct de couple. D'autres tables ont été proposées comme la table de vérité à une bande de tolérance pour le couple ou la table de vérité à double bande de tolérance pour le couple [Arc99], [eH99].

2.3 Architecture du groupe moto-propulseur re-

Dans le document Commande d'une machine asynchrone dédiée à la traction des chariots de manutention électriques (Page 74-79)