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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
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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
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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)
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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
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Architectures de puissance
5
Architectures de puissance
régulationElectronique de puissance
Transmission mécanique +
charge
PMSM
Batteries
C. refRégulation principale
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Solutions considérées
• Pont triphasé • 3 ponts en ‘H’
6
• Schéma de principe, sans les dispositifs d’élimination des parties en défaut
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Comparaison en terme de puissance installée et de complexité
• Pont triphasé • 3 ponts en ‘H’
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
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• Pont triphasé • 3 ponts en ‘H’
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
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Modélisation électrique du moteur à aimants permanents
9
moteur à aimants permanents1. Mesures des paramètres
2. Equations
régulationElectronique de puissance
Transmission mécanique +
charge
PMSM
Batteries
C. refRégulation principale
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Identification des paramètres
• Mesure des f.e.m.
• Mesure des inductances
10
• Mesure des inductances en fonction de la position du rotor
rotor stator
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1°Mesures des forces électromotrices
&
11
θθθθ 3coscos 31
31
&&TT KK
EEe
+=
+≈⇔
θ&ke eff =
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2°Mesure des inductances
12
• Effets de « saillances » : ( ))2(20 θLLL +=
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• 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
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• 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
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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
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Alimentation par un système triphasé de tensions sinusoïdales
• 3 phases séparées• Neutre isolé
16
▫ Effets de l’homopolaire
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Stratégies de régulation
17
Stratégies de régulation
1. Fonctionnement en marche normale
2. Fonctionnement en mode dégradé sur 2 phases
régulationElectronique de puissance
Transmission mécanique +
charge
PMSM
Batteries
C. refRégulation principale
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Fonctionnement en marche normale
18
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Fonctionnement en marche normale
s
KK 2
1+
KK 2
1+
19
sK1+
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Marche en mode dégradé – Park généralisé
20
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Marche en mode dégradé – Park généralisé
• 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
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Marche en mode dégradé – Park généralisé
• 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
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Marche en mode dégradé – Park généralisé
• 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
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Marche en mode dégradé – Park généralisé
s
KK 2
1+
s
KK 2
1+
24
sK1
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Marche en mode dégradé – Park généralisé
25
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Marche en mode dégradé - Concordia modifié + Park
26
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Marche en mode dégradé - Concordia modifié + Park
• 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
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Marche en mode dégradé - Concordia modifié + Park
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
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Marche en mode dégradé - Concordia modifié + Park
• 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
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Marche en mode dégradé - Concordia modifié + Park
s
KK 2
1+
K
30
s
KK 2
1+
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Marche en mode dégradé - Concordia modifié + Park
31
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Eléments de comparaison
Park généralisé Concordia modifié
Oscillations du couple + -
Pertes Joules + -
Complexité - +
32
Complexité - +
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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
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Conclusion et perspectives
• Implantation sur le moteur réel de la stratégie Concordia modifiée + Park
• Etude des avantages qui résulteraient d’un
34
• 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.