strat gies de commandes vectorielles des moteurs...

Stratégies de commandes vectorielles des moteurs synchrones triphasés à aimants permanents dans le cas de la marche en

mode dégradé sur deux phases

1

mode dégradé sur deux phases

Th. Labbé, F. Baudart, J.-B. Demelenne

Contexte

• Nouvelle génération de système de contrôle du vecteur de poussée (TVC) d’une fusée basée sur l’emploi des vérins électromécaniques

▫ Ex.: Lanceur Vega

2

Moteur synchrone à aimants

permanents

Réducteur + vis à bille

Source : SABCA

TVC électrique• Structure

▫ 2 vérins électro-mécaniques (EMA)

▫ 1 électronique de contrôle numérique et de puissance

� Communication avec le calculateur central, boucles de régulation,

3

� Communication avec le calculateur central, boucles de régulation, conditionnement des capteurs, alimentation moteurs électriques, …

▫ 1 source d’énergie (batteries)

Commande du moteur synchrone

régulationElectronique de puissance

Transmission mécanique +

charge

PMSM

Batteries

C. refRégulation principale

4

• Amélioration de la fiabilité par l’utilisation :▫ d’architectures redondantes

▫ d’architectures tolérantes aux pannes

de puissancecharge

principale

• Notre travail se concentre sur la possibilité de marche en mode dégradé sur deux phases

Architectures de puissance

5

Architectures de puissance



charge

PMSM

Batteries


Solutions considérées

• Pont triphasé • 3 ponts en ‘H’

6

• Schéma de principe, sans les dispositifs d’élimination des parties en défaut

Comparaison en terme de puissance installée et de complexité


7

Pont triphasé Pont en ‘H’

Sur les phases du moteur U/2 et I U et I/2

Nombre de transistors 6+2 12

Surface de silicium 100% + 33% 100%

Nombre de drivers 4 6

Générateurs MLI 4 6


Comparaison au niveau du fonctionnement normal

8

• Impact sur la commande en mode normal : on ne peut pas utiliser le même régulateur en marche normale avec 3 ponts en ‘H’ et un onduleur triphasé.▫ Problème des composantes homopolaires

▫ On se concentre sur la solution du 4ème bras

Modélisation électrique du moteur à aimants permanents

9

moteur à aimants permanents1. Mesures des paramètres

2. Equations



charge

PMSM

Batteries


Identification des paramètres

• Mesure des f.e.m.

• Mesure des inductances

10

• Mesure des inductances en fonction de la position du rotor

rotor stator

1°Mesures des forces électromotrices

&

11

θθθθ 3coscos 31

31

&&TT KK

EEe

+=

+≈⇔

θ&ke eff =

2°Mesure des inductances

12

• Effets de « saillances » : ( ))2(20 θLLL +=

• Modèle complet

• Alimentation séparée des trois phases

Equations de la machine (1)

( )θ EEI)2(LLIU 3120 ++++=dt

dR

aU

13

( )

ωIE

EEI)2(LLIU

t

3120

=emC

dt

• Modèle pour la régulation

310 EEILIU +++=dt

dR

aU

bU

cUE

• Phases connectées en étoile à neutre isolé

Equations de la machine (2)

• Modèle complet

( )

+

++

−

=

acaaac

E

E

I

Iθ)(

dt

d

I

IR

U

U2LL

21

11 '2

'0

14

• Modèle pour la régulation

( )

+

++

=

cbcccb EI

θ)(dtI

RU

2LL21 20

acU

cbU

+

+

−=

cb

ac

c

a

c

a

cb

ac

E

E

I

I

dt

d

I

IR

U

U '0L

21

11

31 EEIU ++Φ+=dt

dR

• Passage par les flux

▫ Alimentation séparée des 3 phases

Mise sous forme intégrale des équations

( ) 3120 EEI)2(LLIU ++++= θdt

dR

15

31 EEIU −−−=Φ Rdt

ddt

( ) Φ+=

−−−=Φ−1

20

31

)2(LLI

EEIU

θ

Rs

=I Φ▫ Neutre isolé

� méthode similaire

� 2 courants et 2 différences de flux indépendants

LUT

dt

Alimentation par un système triphasé de tensions sinusoïdales

• 3 phases séparées• Neutre isolé

16

▫ Effets de l’homopolaire

Stratégies de régulation

17

Stratégies de régulation

1. Fonctionnement en marche normale

2. Fonctionnement en mode dégradé sur 2 phases



charge

PMSM

Batteries


Fonctionnement en marche normale

18

Fonctionnement en marche normale

s

KK 2

1+

KK 2

1+

19

sK1+

Marche en mode dégradé – Park généralisé

20


• Comment obtenir la transformation de Park généralisée?

1. Déterminer les courants optimaux� Pas d’oscillations du couple�Minimisation des pertes Joule

21

�Minimisation des pertes Joule

2. Calculer une transformation telle queib,opt , ic,opt � id = 0, iq = cste


• Equations dans le domaine de Park généralisé

++++++= 2220221 2

0)()( ϕωω

ff

dLR edqe

dqdqdq IML

IMIU

22

+

+++++= 2

3220221 2

)()(βα

ϕωωffdt

LR edqedqdq IMLMIU

qem ipC '0ϕ=

−=

−−=

θϕ

θϕ

ϕ

θϕ

θϕ

ϕ

β

α

d

d

d

df

d

d

d

df

cb

cb

2

3

2

31

2

1

2

11

0

0


• Equations simplifiées (pour la commande)

23

++++++= 2220221 2

0)()( ϕωω

ff

dLR edqe

dqdqdq IML

IMIU

qeded

dd iLdt

diLRiu )(0 θω++=

)2()( 2322

00 βαωϕθω ffiLdt

diLRiu eqeqe

qqq ++++=

+

+++++= 2

3220221 2

)()(βα

ϕωωffdt

LR edqedqdq IMLMIU


s

KK 2

1+

s

KK 2

1+

24

sK1


25

Marche en mode dégradé - Concordia modifié + Park

26


• Transformation de Concordia modifiée

−−−

=

c

b

x

x

x

x

112

1'

' γγγβ

α

27

• Diagonalisation de la matrice des inductances

• Optimisation du paramètre γ en fonction de la quantité d’harmonique 3

−+

== −

ML

ML

0

0''' 1 LTTL


dqdq

dqdq dt

dR Ψ

ΨIU

−++=

01

10ω

)2sin()2cos(01 eeML ΨIΨ +

−

+

=θθ

28

0)2cos()2sin(

)2sin()2cos(

10

01dqdq

ee

eedq ML ΨIΨ +

−−−

+

=

θθθθ

( )( )

+−−−+−=

−

−+

)4sin(3)2sin(

)4cos(3)2cos(

2 23

23

23

00

ee

eedq

KK

KK

θθγθθγ

γϕ

γ

γγ

Ψ

( )( )

+−−++=

−+

−

)4cos(3)2cos(3

)4sin(3)2sin(3

2 213

231

213

0

ee

eeTdqem

KK

KKpC

θθθθ

γϕ

γγ

γ

I


• Equations obtenues en négligeant l’inductance mutuelle

29

dqdq

dqdq dt

dR Ψ

ΨIU

−

++=01

10ω

+

+−+−+= )4sin(3)2sin(3

2

3

20

eee

qed

dd KKLidt

diLRiu θγθγγ

γϕωω

+

−−+++−+= )4cos(3)2cos(3

2

3

2

3

20

eee

deq

qq KKLidt

diLRiu θγθγγγ

γϕωω

dqdqdq dtR ΨIU

++=01

ω


s

KK 2

1+

K

30

s

KK 2

1+


31

Eléments de comparaison

Park généralisé Concordia modifié

Oscillations du couple + -

Pertes Joules + -

Complexité - +

32

Complexité - +

Etat d’avancement

• Détermination expérimentale d’un modèle détaillé de simulation du moteur étudié

• Etude de 2 modes de marche en dégradé

• Simulation sur un modèle détaillé du moteur

33

• Simulation sur un modèle détaillé du moteur

• Détermination expérimentale d’un modèle thermique détaillé� limites de performance en mode dégradé

Conclusion et perspectives

• Implantation sur le moteur réel de la stratégie Concordia modifiée + Park

• Etude des avantages qui résulteraient d’un

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• Etude des avantages qui résulteraient d’un moteur à phases magnétiquement découplées

Remerciements à la S.A.B.C.A. qui a proposé ce travail et pour le soutien fourni.

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