République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohamed Boudiaf Faculté de Génie Electrique Département d’Automatique Mémoire en vue de l’obtention du diplôme de Magister Spécialité : Ecole Doctorale de Génie Electrique Option : Automatique Présenté par Mr. BOUCHA ABDELLAH __________________________________________________________ Réalisation et commande d’un véhicule électrique par dSpace embarqué __________________________________________________________ Soutenu le : Devant le jury composé de : Président Mr MOKHTARI Abedellah Professeur USTO-MB Encadreur Mr HAZZAB Abdeldjebbar Professeur Univ. Bechar Co-Encadreur Mr BOUHAMIDA Mohamed Professeur USTO-MB Examinateur Mr OMARI Abdelahafid Professeur USTO-MB Examinateur Mme GHOUL HADIBY Rachida Professeur USTO-MB Dédicace Je dédie ce modeste travail A: Mes chers parents, Mon épouse Mes frères et sœurs, Toute ma famille, Tous mes amis. Remerciement En préambule à ce mémoire, je souhaitais adresser mes remerciements les plus sincères aux personnes qui m’ont apporté leur aide et qui ont contribué à l’élaboration de ce mémoire ainsi qu’à la réussite de cette formidable année universitaire. La première personne que nous tenons à remercier est notre encadreur le professeur Mr Hazzab Abdeldjebar, pour l’orientation, la confiance, la patience qui ont constitué un apport considérable sans lequel ce travail n’aurait pas pu être mené au bon port. Je tiens de remercie mon Co-encadreur Mr bouhamida maitre de conférence à l’université de l’USTO-MB pour leurs encouragements Mes remerciements s’étendent également à, Mr Habbab Mohamed. Nous tenons également à remercier les membres de Jury pour avoir accepté d’examiner ce travail. Nous tenons à exprimer nos sincères remerciements à tous les enseignants qui m’enseigné durant mon cursus de magistère et qui par leurs compétences m’a soutenu dans la poursuite de mes études. Enfin, Je remercie tous ceux qui, de près ou de loin, ont contribué à la réalisation de ce travail. Résumé Le développement des projets en matière de véhicule électrique peut s’expliquer tout d’abord par les objectifs environnementaux fixés dans les cadres mondial et national pour lutter contre le changement climatique, visant notamment à diminuer les émissions de CO2. Notre contribution dans cet axe de recherche à travers ce mémoire dédié à réaliser un véhicule électrique à deux roues motrices commandée par un DSPACE embarqué en temps réel, afin d’assurer un bon contrôle, dont les consignes sont envoyées d’après un PC via un réseau sans fil. La commande se fait par trois hacheurs 4 quadrants à base d’IGBT l’un pour l’avant en variant la vitesse de moteur et inverser son sens de rotation gauche et droite, le reste des hacheurs pour la marche avant et arrière de deux roues arrière. On à utilisé un codeur incrémentale pour la mesure de la vitesse des roues arrière et un capteur de position pour réaliser une rotation pour les roues avants .Les résultats pratiques obtenues sont satisfaisantes en matière de contrôle. ABSTRACT Projects development in the field of electric vehicles can be explained first by the environmental objectives in the global and national frameworks to lessen the effects of climate change, and in particular to reduce CO2 emissions. The present research work attempts to make an electric two-WD vehicle controlled by a DSPACE boarded in real time to ensure good control, the instructions are sent from a PC via a wireless network. The control is done by three choppers, four IGBT-based quadrants; one for the front by varying the motor speed and reverse its direction of rotation to the left and right, the rest of the choppers are used for the forward and reverse two rear wheels. An incremental encoder is used to measure the speed of the rear wheels and a position sensor to produce a rotation for the front wheels. Practical results are satisfactory in terms of control. ملخص إ ااهت ا ال ت ايد لتط ي السيار الك بائي ناتج عن التغي ا ال اخي التي تس ا ان عاتا ثاني أكسيد الك ب ال ض ع فDSPACE ال دف من هدا ال حت ه تص يم سيار ك بائي يتحكم في ا عن بعد ب اسط . يق ش ك اس كي ال ي ك ا تم ضع ج ا آخ في اأما ل تحكم ال ض ع في إحد العجا الس ع السيار عن استع ا ج ا لقيا . را العجا اأمامي . شام من اجل القيا بتحكم أف ل ل سيار الك بائي ��2 ال تائج ال تحصل ع ي ا في هدا ال حث كانت كافي باتجا Sommaire Sommaire Dédicace Remerciements Résumé Sommaire Liste des figures Nomenclature Introduction Générale 1 Chapitre I : Généralités sur les Véhicules Electriques I.1 Introduction I.2 Historique I.3 Actualités des Véhicules Electriques I.4 Définition d’un Véhicule Electrique I.5 Description générale de la chaîne de traction I.5.1 Le Moteur Electrique d’Entrainement I.5.1.1 Moteur à courant continu à excitation séparée I.5.1.2 Moteurs à courant continu à aimant permanent I.5.1.3 Moteurs asynchrones I.5.1.4 Moteurs synchrones à aimants permanents I.5.1.5 Moteur synchrone à inducteur bobiné I.5.1.6 Moteur à réluctance variable I.5.1.7 Choix de motrice I.5.2 Convertisseur statique I.5.3 Batterie I.6 Différentes configurations de véhicule électrique I.6.1 Véhicule électrique monomoteur I.6.2 Véhicule électrique multi-moteurs I.7 Structure du véhicule électrique I.7.1. Critères de choix des roues motrices I.7.2. Critères de choix des roues libres I.7.3. Choix des actionneurs I.8 Modélisation dynamique du véhicule I.8.1. Contraintes dynamiques sur le véhicule I.8.2 Importance du calcul de la vitesse et de l’accélération maximale I.8.3 Couples résistant au déplacement I.8.4 Roulement uniforme sur sol plat I.8.5 Franchissement de pente I.8.6 Franchissement d’obstacles I.8.7 Accélération I.8.8 Résistance au glissement (adhérence) I.9 Conclusion 3 3 5 5 5 6 7 7 7 8 8 8 9 9 9 10 11 12 14 15 15 15 16 16 17 19 20 21 21 21 21 22 Chapitre II : Système de Contrôle de la Chaîne de Traction II.1 Introduction II.2 Description de la Chaîne de Traction II.3. Système de Traitement Numérique dSPACE DS1104 II.3.1 Architecture du dSPACE DS1104 II.3.2 Processeur maître PPC (Master) II.3.3 Dispositifs d’entrées/sorties du PPC maître II.3.4 Processeur esclave DSP TMS320F240 II.3.5 Dispositifs d’entrées/sorties de DSP esclave II.3.6 Contrôleur d’interruption 23 23 23 23 24 24 25 26 26 Sommaire II.3.7 Mémoires II.3.8 Temporisateurs II.3.9 Présentation du logiciel Control Desk II.3.10 Interface en temps réel RTI II.4 Moteur à Courant Continu II.4.1 Définition II.4.2 Machine de base ou Machine à Excitation Indépendante II.4.3 Constitution et Principes Physiques II.4.4 Machine à excitation constante II.4.5 Moteur série II.4.6 Excitation Shunt II.4.7 Excitation composée ou Compound II.5 Hacheur II.5.1 Hacheur série (BUCK) II.5.2 Hacheur parallèle (BOOST) II.5.3 Hacheur 2 quadrants réversible en courant II.5.4 Hacheur 4 quadrants II.6 Le réseau sans fil II.6.1 Communication entre équipements II.6.1.1 Le mode ad hoc II.6.1.2 Le mode infrastructure II.6.1.2.1 Topologie à cellules disjointes II.6.1.2.2 Topologie à cellules partiellement recouvertes II.6.1.2.3 Topologie à cellules recouvertes II.6.2 Communication entre équipements en mode infrastructure II.6.2.1 Communication entre station et un point d’accès II.6.2.2 Communication entre deux stations à travers un point d’accès II.6.2.3 Le Handover II.7 Conclusion 26 27 27 28 29 29 30 30 33 33 34 34 34 35 35 35 36 38 38 38 39 40 40 40 41 41 41 42 43 Chapitre III : Conception et Réalisation du véhicule éléctrique III.1 Introduction III.2 Conception de la Véhicule Electrique III.3 Etapes de conception du véhicule électrique III.3.1 Partie Mécanique III.3.2 Partie Électrique et Electronique III.3.2.1 Description de la structure électrique et électronique du système III.3.2.1.a Partie commande III.3.2.1.b Partie puissance III.3.2.b.1 Commande des moteurs de propulsion III.3.2.b.2 système de direction du véhicule III.3.2.1.c Acquisition III.3.2.1.d Gestion de l’alimentation 44 44 45 45 48 49 49 50 50 55 57 60 III.3.3 Partie électromécanique III.4 Partie Contrôle III.5 Résultats de simulation III.6 Conclusion 62 64 66 69 Conclusion générale Bibliographie 70 72 Liste des figures Figure 1.1 Schéma fonctionnel de la chaîne de traction d’un véhicule tout électrique. Figure 1.2 Couple/Puissance-Vitesse requises pour VE. Figure 1.3 Comparaison de la densité d’énergie pour les différentes technologies de batteries. Figure 1.4 Chaîne de traction monomoteur. Figure 1.5 Exemples schématiques de motorisation monomoteur. Figure 1.6 Véhicule multi-moteurs Figure 1.7 Exemples schématiques de motorisations multi-moteurs Figure 1.8 Présentation du véhicule Figure 1.9 Déplacement du véhicule dans un virage sur une chaussée inclinée d’un angle α. Figure 1.10 Franchissement de pente. Figure 1.11 Franchissement d’obstacles Figure 2.1 Chaine de Traction. Figure 2.2 Architecture du DSPACE DS1104. Figure 2.3 Exemple Fenêtre principale réalisé sous Control Desk. Figure 2.4 Sélecteur de fichier. Figure 2.5 La bibliothèque de DSPACE RTI1104 dans le Simulink. Figure 2.6 Principe de fonctionnement d’un moteur à courant continu. Figure 2.7 Schéma de machine à courant continu vue en coupe latérale. Figure 2.8 Schéma électrique idéalisé. Figure 2.9 Interrupteur Statique. Figure 2.10 Hacheur série. Figure 2.11 Hacheur parallèle. Figure 2.12 Hacheur de Traction. Figure 2.13 Hacheur 4 quadrants. Figure 2.14 Commande complémentaire. Figure 2.15 Chronogramme de courant dans l’inductance de deux phases. Figure 2.16 Chronogramme d’ondulation de courant dans l’inductance. Figure 2.17 Mode ad hoc. Figure 2.18 Mode infrastructure. Figure 2.19 Topologie à cellules disjointes. Figure 2.20 Topologie à cellules partiellement recouvertes. Figure 2.21 Topologie à cellules recouvertes. Figure 3.1 Schéma de conception. Figure 3.2 photo du véhicule realisé Figure 3.3 Dessin technique d’un axe arrière Figure 3.4 Dessin technique d’un axe avant Figure 3.5 Sous Assemblage Roue Avant. Figure 3.6 Sous Assemblage Roue Arrière Figure 3.7 Vus dessous et dessus du véhicule. Figure 3.8 Photo du véhicule électrique face Avant et arrière Figure 3.9 Structeur electrique et electronique du systeme Figure 3.10 interface E/S Figure 3.11 carte DS1104 6 7 10 11 11 12 12 15 18 20 21 23 24 27 28 29 30 31 32 34 35 35 36 36 36 37 38 39 39 40 40 41 44 45 46 46 46 46 47 47 48 49 49 Figure 3.12 Montage HCPL2530 Figure 3.13 Montage push-pull Figure 3.14. Structeur du circuit de commande des moteurs arrieres Figure 3.15 Schema electronique du driver Figure 3.16 chronogramme des entrées logiques IN,SD et la sortie Figure 3.17 schema interne du driver Figure 3.18 Schéma de l'IGBT Figure 3.19 Schéma de Pont H Figure 3.20 Signal MLI ou PWM Figure 3.21 schema du circuit de commande des moteurs arrieres Figure 3.22 photo de l’hacheur realisé Figure 3.23 schema synoptique de la chaine de commande de la direction Figure 3.24 shema de circuit d’isolation et d’adaptation Figure 3.25 shema de circuit de commande de moteur de direction realisé Figure 3.26 Photo de la carte de commande de direction de vehicule Figure 3.27 capteur de courant LA25-NP Figure 3.28 codeur incrémental Figure 3.29 photo de capteur potentiométrique Figure 3.30 Photo indiquant les fins de courses Figure 3.31 Photo face avant du véhicule avec capteur a ultrason Figure 3.32 capteur de proximité Figure 3.33 Source 24 volts Figure 3.34 Photo de la batterie utilisée Figure 3.35 Circuit de la régulation de tension 15V/600mA Figure 3.36 Photo de l’alimentation 15V réalisé Figure 3.37 Alimentation symétrique Figure 3.38 Alimentation +12Vn-12V et 24V Figure 3.39 Photo des bornes de charge et sélecteurs de mode Figure 3.40 Montage de l’expérience Figure 3.41 Déphasage entre la tension et le courant Figure 3.42 Photo de l’expérience pour calculer l’inductance Figure 3.43 Photo de l’expérience pour calculer le moment d’inertie Figure 3.44 Schéma synoptique de la partie contrôle Figure 3.45 L’interface IHM sous ControlDesk Figure 3.46 Régulation de vitesse PID d’un Moteur à CC à aiment permanent Figure 3.47 Photo du véhicule électrique sous test Figure 3.48 Courbe de la vitesse du véhicule avec roues suspendu Figure 3.49 Courbe de courant du véhicule avec roues suspendu Figure 3.50 Courbe de la vitesse du véhicule avec roues en contact avec le sol Figure 3.51 Courbe de la vitesse du véhicule avec roues en contact avec le sol 49 50 51 51 52 52 52 53 53 54 54 55 56 56 57 57 58 59 59 60 60 61 61 61 61 61 62 62 63 63 63 64 65 65 66 66 67 67 68 68 Nomenclature FCEM : force contre-électromotrice : Le champ statorique �� : Résistance du rotor �� : Résistance du stator � : Fréquence � : Couple électromagnétique �1 : Tension d’entré hacheur γ : accélération tangentielle du véhicule Vx Vitesse instantanée du véhicule suivant l’axe Xv. Vy Vitesse instantanée du véhicule suivant l’axe Yv. � : Masse de véhicule �� : Vitesse angulaire du véhicule. ρ : Rayon de véhicule μ : Coefficient de friction des pneus du véhicule sur la route. : Résistance au roulement �� : Résistance aérodynamique �� : Résistance due a la pente r : rayon d’une roue � : coefficient caractérisant la résistance au roulement ρa: désigne la masse volumique de l’air S : la surface frontale du véhicule Cx : coefficient de pénétration dans l’air (mesuré expérimentalement) V : la vitesse du véhicule Vv: la vitesse du vent M : masse du véhicule g : l’accélération de pesanteur r : rayon d’une roue. φ : Angle de la pente �� : résistance inertielle J : moment d’enertie � : Force de frottement ��� : Couple nécessaire a l’accélération �� : Résistance au glissement (adhérence) μ : coefficient dépend également de la nature des surfaces en contact DAC : digital analog converter ADC : Analog digital converter DRAM : Dynamique Random Access Memory GUI : graphique user interface dSPACE : digital signal processing MCC : Moteur a courant continu MCCAP : moteur a courant continu a aiment permanent MI : moteur a induction MSAP : machine synchrone a aiment permanent MRV : machine à reluctance variable PID : proportionnel intégrateur dérivateur Wifi : Wireless Fidelity STA: station terminale IBSS: Independent Basic Service Set BSS: Basic Service Set DS: Distribution System ESS: Extended Service Set IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor MLI : Modulation de Largeur d’Impulsion PWM : Pulsed Width Modulation ASI : alimentation sans interruption Introduction générale Introduction générale Le véhicule électrique n’est pas une idée nouvelle. Du XIXème à la fin du XXème siècle, divers modèles ont été expérimentés et ont tenté de rivaliser avec les véhicules thermiques. L’échec a été à chaque fois au rendez-vous, en raison du manque de capacité des batteries et donc de la faible autonomie de ces véhicules, comparés à celle des véhicules thermiques. Cela a prouvé que la polyvalence et l’autonomie étaient au centre des enjeux du développement des véhicules. Le développement des projets en matière de véhicule électrique peut s’expliquer tout d’abord par les objectifs environnementaux fixés dans les cadres mondiaux pour lutter contre le changement climatique, visant notamment à diminuer les émissions de CO2. Par ailleurs, l’industrie automobile de cette époque est en crise mondial et a besoin d’être rénovée. La voiture électrique apparaît alors comme un levier de relance et de modernisation. Enfin, la maturité technologique de la batterie Lithium-ion ouvre des perspectives pour le développement à grande échelle du véhicule électrique. Jusqu’à présent, le frein essentiel au développement du véhicule électrique était la batterie dont la capacité était insuffisante. Les performances sont alors médiocres, surtout à cause de la masse du véhicule qui implique une réserve d'énergie trop importante au regard de ce que l'on peut stocker actuellement dans les batteries. Pourtant, il existe de nombreuses solutions originales permettant de créer des véhicules totalement innovants, autour de concepts adaptés à l'énergie électrique. Soit le véhicule est léger et il est destiné à des déplacements courts : dans ce cas les accumulateurs actuels sont suffisants ; Soit le véhicule est massif et il nécessite une forte puissance : dans ce cas, l'énergie électrique doit être produite par une autre source que la batterie et il s'agit alors du véhicule hybride. Récemment, plusieurs projets dans ces deux domaines ont vu le jour. D'une manière générale, le plus important est de bien cerner les domaines d'applications du véhicule électrique et de tenir compte de sa spécificité à tous les niveaux de la conception. C'est à cette seule condition que les véhicules électriques ont une chance d'aboutir. 1 Introduction générale À cet égard, le moteur-roue, qui correspond à l'intégration d'un moteur électrique dans une roue, parait intéressant dans la mesure où il apporte réellement de nouvelles possibilités. En effet, il est possible de supprimer toutes les parties mécaniques liées à la transmission et en même temps de commander indépendamment toutes les roues. Cette grande liberté doit pouvoir permettre une très bonne tenue de route, si on a su maîtriser les masses non suspendues. L’objectif du présent travail est de réaliser un véhicule électrique à deux roues motrices commander par un DSPACE embarqué, afin d’assurer un bon contrôle, dont les consignes sont envoyées d’après un PC via un réseau locale sans fil. Ce travail est répartis en trois chapitres : Le premier chapitre est réservé aux généralités sur les véhicules électriques, historique, actualités, modélisation, et à la présentation des différentes architectures. Dans le deuxième chapitre, on présente le système de contrôle d’une chaine de traction, tel que le DSPACE, les hacheurs et les réseaux sans fil (WIFI) dont le but de faire une commande à distance par le biais d’un Interface Graphique Utilisateur (G.U.I.). Le troisième chapitre est consacré à la partie pratique, conception/ réalisation du véhicule électrique autour du DSPACE embarqué. Nous terminons par une conclusion générale sur l’ensemble des résultats obtenus et nous exposons les différentes contributions que nous avons apportées par rapport à l'existant, ainsi que les perspectives que nous envisageons pour la poursuite de ces travaux de recherche. . 2 Généralité Sur Les véhicules électriques CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques I.1 Introduction Au début du 20ème siècle la voiture à essence connaît un succès important. Les voitures électriques de cette époque avaient une faible autonomie, et les batteries ne permettaient pas au moteur de délivrer autant de puissance qu’un moteur thermique. C'est pourquoi jusqu'à nos jours la voiture à essence s'est développée. La voiture électrique ne fait donc pas encore partie de notre entourage mais elle devient de plus en plus sollicitée grâce à la constante hausse du pétrole et la médiatisation de la réduction du rejet de CO2 [1]. Après le grenelle de l'environnement et avant une crise pétrolière, de nombreuses entreprises et d'écologistes veulent développer la voiture électrique au niveau de l'autonomie des batteries et de l'utilisation maximale des énergies propres. Afin que celle-ci deviennent réellement plus propre et plus avantageuse que les voitures à essence [2]. Dans ce chapitre nous présentons une introduction générale sur les véhicules électriques les différents éléments constituent un véhicule électrique et les architectures/configurations, on commence par un bref historique et les progrès actuels sur les VEs, par la suite on présente l’architecture choisi pour notre réalisation. I.2 Historique [2] (1832-1839), Premier véhicule électrique inventé par Robert Anderson (Homme d’affaire écossais. 1835, Construction d’une petite locomotive électrique par Thomas Davenport (américain). 1838, Un modèle similaire roule jusqu’à 6 km/h par Robert Anderson. 1859, Invention de la batterie rechargeable au plomb acide par Gaston Planté (Français). 1881, Amélioration de la batterie rechargeable par Camille Faure. 1884, Voiture électrique conduite par Thomas Parker. 1891, La première vraie voiture électrique par William Morrison (américain) 1896, La Riker électrique d’Andrew Riker remporté une course automobile. 1897, Les premiers taxis électriques dans les rues de New York. 1899, en Belgique, une société construit « La Jamais Contente » la première auto électrique à dépasser les 100 km/h (elle atteindra les 105 km/h) [8,12]. L’auto était pilotée par le belge Camille Jenatzy, et munie de pneus Michelin. Dès 1900, Plus du tiers des voitures en circulation sont électriques, le reste étant des autos à essence et à vapeur. 1902, la Phaeton de Wood pouvait rouler 29 kilomètres à une vitesse de 22.5 km/h et coutait 2000 dollars. 1912, la production des véhicules électriques est à son crête, mais, l’introduction de la Ford Model T à essence en 1908 va commencer à se faire sentir. 3 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques Années 1920, certains facteurs mèneront au déclin de la voiture électrique. On peut citer leur faible autonomie, leur vitesse trop basse, leur manque de puissance, la disponibilité du pétrole, et leur prix deux fois plus élevé que les Ford à essence. 1966, le congrès américain recommande la construction de véhicules électriques pour réduire la pollution de l’air. 1972, Victor Wouk le parrain du véhicule hybride construit la première voiture hybride, la Buick Skylark de General Motors 1974, la Vanguard-Sebring CitiCar, qui ressemble beaucoup à une voiturette électrique de Golf fait son apparition au Electric Véhicule Symposium de Washington, D.C. Elle peut rouler sur 64 kilomètres à une vitesse de 48 km/h. 1976, le Congrès américain adopte le Electric and Hybrid Vehicle Research, Développent, and Démonstration Act. 1988, le président de GM Roger Smith lance un fond de recherche pour développer une nouvelle voiture électrique qui deviendra la EV1. 1990, l’Etat de la Californie vote le Zero Emission Vehicle (ZEV), un plan qui prévoit que 2% des véhicules devront avoir zéro émission polluante en 1998 (puis 10% d’entre eux pour 2003) Entre 1996 et 1998 GM va produire 1117 EV1, dont 800 d’entre elles en location avec un contrat de 3 ans. En 1997, Toyota lance la Prius, la première voiture hybride à être commercialisée en série. 18 000 exemplaires seront vendus au Japon la première année. De 1997 à 2000, de nombreux constructeurs lancent des modèles électriques hybrides: la Honda EV Plus, la G.M. EV1, le Ford Ranger pickup EV, Nissan Altra EV, Chevy S-10 EV et le Toyota RAV4 EV. A partir de 2000 la voiture électrique va re-mourir à nouveau. En 2002, G.M. et DaimlerChrysler poursuivent le California Air Resources Board (CARB) pour faire annuler la loi Zero Emission Vehicle (ZEV) de 1990. En 2003 en France, Renault fait une tentative avec la sortie de sa voiture hybride Kangoo Electrode mais abandonnera la production après environ 500 véhicules. En 2003-2004, c’est la fin de l’EV1. GM va récupérer un par un tous les véhicules pour les détruire, et ce malgré plusieurs mouvements de protestation. En 2006, Chris Paine sort un documentaire intitulé Who Killed the Electric Car ? qui analyse la montée en puissance et la mort de la voiture électrique à la fin des années 90. En 2007, il y avait encore 100 000 véhicules électriques en circulation aux Etats-Unis. 4 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques En mars 2009, Vincent Bolloré annonce la sortie pour 2010 en location mensuelle à 330 euros de la Pininfarina Blue Car. I.3 Actualités des Véhicules Electriques A l’heure actuelle, l’ensemble des véhicules électriques proposés par les constructeurs disposent d’une autonomie comprise entre 70 km et 200 km. Tous ces véhicules étant équipés de batteries [3]. De nouvelles perspectives apparaissent toutefois avec l’utilisation de la pile à combustible. Cette dernière permet d’augmenter considérablement l’autonomie (400 à 450 km pour le moment) pour arriver à des valeurs proches de celles des véhicules thermiques classiques [4]. La gamme de puissance s’étale d’environ 15 kW jusqu’à environ 100 kW. Cependant, les choix sont guidés par l’utilisation de ces véhicules ; généralement, 20 à 30 kW suffisent pour un véhicule urbain alors que 40 à 50 kW sont préférables pour une voiture routière [5]. En ce qui concerne la motorisation, les moteurs à courant continu sont toujours aussi répandus, à cause de la simplicité de leur commande en vitesse variable. Cependant, on entrevoit de plus en plus une utilisation massive des moteurs alternatifs en raison de leurs plus faibles coûts. En effet, jusqu’à il y a quelques années, la commande en vitesse variable des machines alternatives était difficile à mettre en œuvre. Celle-ci demandait une puissance de calcul que les processeurs de l’époque ne pouvaient fournir ou seulement à des coûts prohibitifs. Avec les progrès de la technologie, les coûts ont diminué et la puissance de calcul n’a cessé d’augmenter, favorisant ainsi l’émergence de ces machines jusque-là réservées à des applications de plus fortes puissances [5,6]. Pour ce qui est du prix de ces véhicules, il est encore difficile à établir car les quantités produites sont très faibles, souvent ce ne sont que quelques exemplaires qui sont fabriqués. On peut cependant estimer que si les technologies d’alimentation employées (batteries, pile à combustible) sont fabriquées à grande échelle, alors les prix seraient comparables à ceux des véhicules thermiques. En effet, le prix de l’alimentation constitue la part la plus importante du coût d’un véhicule électrique [5]. I.4 Définition d’un Véhicule Electrique Un Véhicule Electrique est un véhicule dont la propulsion est assurée par un moteur fonctionnant exclusivement à l’énergie électrique. Autrement dit, la force motrice est transmise aux roues par un ou plusieurs moteurs électriques selon la solution de transmission retenue. [7] I.5 Description générale de la chaîne de traction La chaîne de traction d'un véhicule tout électrique peut être décomposée en éléments décrits dans la (figure 1.1). Il s'agit, si l'on part du réseau d'alimentation alternatif, du chargeur de batteries, de la batterie électrochimique de la source embarquée d'énergie électrique, de l'ensemble convertisseur statique du moteur électrique et le contrôle et, enfin, de la transmission mécanique dont la fonction est d'adapter la caractéristique mécanique de la charge à celle du 5 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques moteur [5,7]. Pour l'analyse de la consommation totale, il faut aussi prendre en compte les auxiliaires comme le système de refroidissement (air ou eau) du moteur et de son convertisseur électronique [4]. On s’intéresse ici qu'à la chaîne de traction proprement dite, mais il va de soi que la totalité des équipements électriques doit être optimisée pour maximiser l'autonomie du véhicule [8]. Auxiliaires de refroidissement MCC AP Transmission mécanique Hacheur Batterie Electrochimique Contrôle Roues Information conduit Figure 1.1 Schéma fonctionnel de la chaîne de traction d’un véhicule tout électrique. I.5.1 Le Moteur Electrique d’Entrainement Les performances globales d’un véhicule électrique dépendent du type de moteur d’entrainement employé. Le véhicule électrique, dès que le conducteur relâche l’accélérateur, les roues motrices renvoient progressivement l’énergie cinétique du véhicule au moteur électrique, qui devient alors une génératrice et recharge les batteries. De manière spécifique, le choix du moteur électrique de propulsion et de sa transmission de puissance est détermine au départ par les caractéristiques de fonctionnement suivantes [9] : Assurer un démarrage en cote du VE (couple élevé), Obtenir une vitesse maximale, Stratégie de pilotage optimisant continuellement la consommation d'énergie (aspect rendement : rendement élevé en étant employé à différentes vitesses). Ces quelques caractéristiques typiques requises pour les machines utilisées dans les systèmes de propulsion électrique, sont bien illustrées sur la figure 1.2 exhibant l’évolution du couple/puissance-vitesse. 6 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques . , � � é � � � � � � . . Rendemment Elevé � . . . � � . , � . Figure 1.2 Couple/Puissance-Vitesse requises pour VE [7]. Les fabricants des véhicules électriques emploient habituellement différents types de moteurs d'entrainements en tant qu'élément indispensable dans la chaine de leur système de propulsion. Ceux-ci peuvent être de divers types tels que : le Moteur à Courant Continu (MCC), à Induction (MI), Synchrone a Aimant Permanent (MSAP), à Reluctance Variable (MRV) etc. En plus des caractéristiques de fonctionnement citées précédemment, d’autres considérations importantes de conception sont à prendre en considération à savoir : coût acceptable et encombrement. I.5.1.1 Moteur à courant continu à excitation séparée Les moteurs à courant continu à excitation séparée, sont commandés par un hacheur de puissance agissant sur l'induit du moteur et un hacheur de plus faible puissance commandant l'excitation ou inducteur. Dans la traction électrique automobile, c'est le système le plus employé. En effet, le moteur de LEROY Sommer [7] qui entraîne la plupart des véhicules électriques en circulation est un moteur à courant continu conçu à partir des modèles destinés à la traction industrielle. L'électronique permet d'optimiser la valeur de consigne du courant d'induit et d'excitation, en fonction de la caractéristique couple/vitesse désirée, grâce à un système de thyristors relativement simple et peu coûteux [3]. I.5.1.2 Moteurs à courant continu à aimant permanent Les moteurs à courant continu à aimant permanent sont actuellement en pleine expansion dans l'industrie. Cette technologie permet d'obtenir des moteurs encore plus légers avec un meilleur rendement que les précédents. Malheureusement, ces aimants font appel pour leur composition, à des terres rares, dont le coût est très élevé. Ils sont également très sensibles aux montées en température. I.5.1.3 Moteurs asynchrones Deux types de machine asynchrone peuvent être distingués : la machine asynchrone à rotor à bagues et la machine asynchrone à cage d’écureuil. Cette dernière est la plus répandue. Son 7 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques niveau de robustesse et de fiabilité allié à un faible coût en a fait une machine de référence [10, 11]. Leur commande nécessite l'emploi d'un onduleur électronique. Sa fonction est de convertir le courant continu des batteries en courant alternatif triphasé, et de contrôler avec précision le fonctionnement du moteur pendant les phases d'accélération et en régime de croisière. De plus, l'onduleur transforme le courant alternatif généré par le moteur durant les décélérations et le freinage en courant continu pour recharger la batterie et améliorer le frein moteur. Pour assurer la régulation, l'onduleur augmente ou diminue la fréquence du courant alternatif fourni au moteur en fonction de la demande du conducteur, donc de la position de la pédale d'accélérateur. Cette fonction de régulation sera réalisée dans un futur proche par un système de contrôle vectoriel. L'arrivée de l'électronique a surtout permis d'augmenter considérablement la vitesse de rotation et de passer de 3 000 tr/mn à 15 000 tr/mn. I.5.1.4 Moteurs synchrones à aimants permanents Les moteurs synchrones à aimants permanents ont une puissance massique et un rendement élevés. Leurs coûts élevés restent le plus gros handicap. Des ferrites peuvent être utilisées mais elles ne présentent pas des performances excellentes. Par contre, les aimants à terres rares, Samarium-Cobalt ou Fer-Néodyme-bore sont plus intéressants. Un des inconvénients de cette machine est l’impossibilité du réglage de l’excitation. Le champ de l’aimant varie avec le temps et la température mais de manière non significative. Pour atteindre des vitesses élevées, il sera nécessaire d’augmenter le courant statorique afin de démagnétiser la machine. Ceci entraînera inévitablement une augmentation des pertes joule statorique. I.5.1.5 Moteur synchrone à inducteur bobiné Ce moteur peut présenter une alternative très intéressante. En comparaison avec le moteur synchrone à aimants permanents. Il dispose d’un degré de liberté supplémentaire : le réglage du flux d’excitation. En effet, cela ouvre une large palette d’algorithmes de commande : compensateur synchrone, facteur de puissance unitaire, couple maximal, minimisation des pertes. I.5.1.6 Moteur à réluctance variable Ce moteur présente un faible coût. Néanmoins, la principale difficulté reste la commande. En effet, ce moteur produit un couple très pulsatoire à haute vitesse engendrant des problèmes de vibrations mécaniques et génère un bruit acoustique supérieur à tous ses concurrents. Ceci est une des conséquences de son principe de fonctionnement. D'autres technologies comme les moteurs-roues encore en phase de mise au point, pourraient présenter des avantages spécifiques indéniables qui devraient jouer un rôle décisif dans le développement du véhicule électrique [11]. 8 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques I.5.1.7 Choix de motrice Chacun des moteurs a des avantages et des inconvénients, mais ce sont essentiellement les notions de cout et de difficulté de la commande qui s’affrontent. L'avantage principal des machines à courant continu réside dans leur adaptation simple aux moyens permettant de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation : les variateurs de vitesse . Le principal problème de ces machines vient de la liaison entre les balais, ou « charbons » et le collecteur rotatif. Ainsi que le collecteur lui-même comme indiqué plus haut et la complexité de sa réalisation. De plus il faut signaler que : plus la vitesse de rotation est élevée, plus la pression des balais doit augmenter pour rester en contact avec le collecteur donc plus le frottement est important. aux vitesses élevées les balais doivent donc être remplacés très régulièrement. le collecteur imposant des ruptures de contact provoque des arcs, qui usent rapidement le commutateur et génèrent des parasites dans le circuit d'alimentation, ainsi que par rayonnement électromagnétique. Un autre problème limite les vitesses d'utilisation élevées de ces moteurs lorsque le rotor est bobiné, c'est le phénomène de « défrettage », la force centrifuge finissant par casser les liens assurant la tenue des ensembles de spires (le frettage). La température est limitée au niveau du collecteur par l'alliage utilisé pour braser les conducteurs du rotor aux lames du collecteur. Un alliage à base d'argent doit être utilisé lorsque la température de fonctionnement dépasse la température de fusion de l'alliage classique à base d'étain. Un certain nombre de ces inconvénients ont partiellement été résolus par des réalisations de moteurs sans fer au rotor, comme les moteurs « disques » ou les moteurs « cloches », qui néanmoins possèdent toujours des balais. I.5.2 Convertisseur statique Le convertisseur statique utilisé dans la chaîne de traction est un hacheur, qui est des convertisseurs directs du type continu-continu. Ils permettent d’obtenir une tension continue variable à partir d’une tension continue fixe contrôlable par des impulsions générer par le circuit de contrôle. I.5.3 Batterie Les circuits de bord des véhicules électriques nécessitent une alimentation fournie par une batterie. Pour réaliser des batteries capables de rendre crédible une offre de voiture électrique sur le marché, les chercheurs du monde entier travaillent à relever différents défis : Augmenter la capacité de stockage d’énergie des batteries des voitures électriques ; Diminuer les temps de charge des batteries des véhicules électriques ; Améliorer la sécurité des batteries des voitures électriques ; Diminuer les couts des batteries des voitures électriques ; Renforcer l’approvisionnement et le recyclage du silicium des batteries du véhicule électrique. 9 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques Pour les véhicules électriques, la technologie utilisée actuellement est celle des batteries. Ces éléments permettant de stocker de l’énergie doivent remplir les conditions suivantes : Une bonne puissance massique (rapport puissance/poids) permettant de bonnes accélérations [5]. Une bonne énergie massique (Wh/Kg) étant synonyme d’une bonne autonomie. Une tension stable engendrant des performances régulières. Une durée de vie élevée, calculée en nombre de cycles chargement/déchargement, conduisant à une diminution du coût pour l’utilisateur. Disposer d’un faible entretien et constitués d’éléments facilement recyclables. � �ℎ � �ℎ � Polymère � � � � ℎ⁄ � La batterie est peu onéreuse et demande peu d’entretien. Néanmoins, ses performances ne sont pas très élevées et elle possède une durée de vie trois fois moindre que celle de la pile à combustible. Sur la Figure 1.3 sont classifiées les batteries selon leurs énergies spécifiques et leurs énergies volumiques. � �é� � � ℎ⁄ Figure 1.3 Comparaison de la densité d’énergie pour les différentes technologies de batteries. I.6. Différentes configurations de véhicule électrique On envisage actuellement deux types de véhicules électriques : Les véhicules à motorisation purement électrique : véhicules électriques ; Les véhicules à motorisation mixte électrique et thermique : véhicules hybrides. Le présent chapitre ne concerne que les véhicules électriques, qui se trouvent actuellement au stade du pré série industrielle. Notons, de plus, que la motorisation hybride actuelle, outre son coût élevé, présente un rendement global faible, car l’énergie primaire subit de très nombreuses conversions (thermodynamique, mécanique, électrodynamique, électrochimique). Notre objectif, n’est pas de faire un état de la technologie des véhicules électrique, mais d’établir une liste non exhaustive de quelques ébauches de solutions aux problèmes de la motorisation d’un véhicule électrique. Cette dernière, est proposée sous une forme soit monomoteur, soit multi-moteurs [8]. 10 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques I.6.1 Véhicule électrique monomoteur Le véhicule électrique monomoteur présente une seule chaîne de traction, figure 1.4 Figure 1.4 Chaîne de traction monomoteur. La figure 1.5 montre trois exemples schématiques de motorisation monomoteur [8]: Un seul moteur électrique + réducteur fixe + différentiel, figure 1.5.A; Un seul moteur électrique + embrayage + BV + différentiel, figure 1.5.B; Un seul moteur électrique + boite de transfert + BV + deux différentiels, 1.5.C; (A) (B) (C) Figure 1.5 Exemples schématiques de motorisation monomoteur. 11 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques I.6.2 Véhicule électrique multi-moteurs Le véhicule électrique multi-moteurs présente plusieurs chaînes de traction indépendantes, figure 1.6, Il peut sembler a priori intéressant de motoriser indépendamment les roues pour supprimer les organes de transmission mécanique comme la boite de vitesse, l’embrayage et le différentiel mécanique. Figure 1.6 Véhicule multi-moteurs On peut donc réaliser des véhicules à deux roues motrices, soit à l’arrière figure 1.7.A soit à l’avant figure 1.7.B, ou encore à quatre roues motrices figure 1.7.C [8]. Figure (A) Figure (B) Figure (C) Figure 1.7 Exemples schématiques de motorisations multi-moteurs Direction avec essieu brisé C’est le principe bien connu de l’automobile (figure 1.7.A), les roues motrices disposées à l’arrière, et les roues directrices à l’avant possèdent chacune un axe de pivotement propre (P1 et P2) situé à une extrémité de l’essieu. La direction par essieu brisé réalise une véritable séparation des fonctions motrices et directrices. Cette séparation [6] : 12 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques Facilite la conduite du véhicule (effort de braquage faible) ; Favorise la stabilité du véhicule (réaction produite par le choc d’un obstacle avec une roue est faible). Cette solution présente néanmoins quelques inconvénients majeurs [7] : La rotation sur place est impossible (rayon de courbure est assez grand); La commande du braquage nécessite une mécanique sophistiquée ; Un encombrement important : une grande partie de l’espace central du véhicule est occupé par le système de direction-propulsion. Direction par roues différentielles Ici deux roues R1 et R2 indépendantes rigides au pivotement réalisent à la fois la propulsion et la direction, l’orientation est obtenue par différence de vitesse des deux roues motrices, et l’équilibre de la plate-forme est garanti par des roues libres à l’arrière, (figure 1.7.B). Les roues libres seront toujours orientées de telle façon à présenter la moindre opposition au roulement sans glissement. La rigidité au pivotement des roues motrices évite tous les phénomènes de dandinement des roues directrices, c’est à dire les oscillations incontrôlées des roues autour de leur axe de pivotement, dues au passage d’un obstacle, où aux irrégularités du sol [8]. Grâce à la totale indépendance des deux roues, la configuration qui a été choisie est la structure à roues différentielles. Nous n’énumèrerons pas les qualités et les défauts de chacune des configurations puisque cela serait trop long. Par contre nous pouvons justifier le choix effectué en mentionnant les principales qualités de cette configuration [9], [10] : En cas de rencontre avec un obstacle ou en cas de glissement de l’une des deux roues, l’autre peut ne pas en être affectée; Les inerties des deux roues ne s’ajoutent pas, ce qui diminue le risque de glissement à vitesse élevée lors des virages rapides du véhicule notamment ; Le perfectionnement de la stabilité latérale de véhicule; Symétrie : Ceci constitue le point fort de cette structure. La symétrie permet des performances intéressantes en rotation puisque le centre de masse est situé le plus proche au centre de l’axe des deux roues motrices ; Un gain en mobilité grâce à un meilleur contrôle de la motricité ; 13 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques Un gain en consommation de plus de 20% grâce aux nouvelles stratégies de gestion de l’énergie La génération de couple électrique est très rapide et précise, à la fois pour l’accélération et la décélération. De plus, la génération anti-directionnelle de couple est possible, en agissant seulement sur le signe du couple de consigne Le couple moteur de chaque roue motrice peut être contrôlé indépendamment, ce qui entraîne un contrôle efficace de véhicule notamment dans les virages ; Une flexibilité d’architecture permettant des concepts modulaires compacts; Prix réduit: dans un véhicule classique, on a besoin de matériels additionnels coûteux, par exemple, boite de vitesse, actionneurs de frein et embrayage. En revanche, la commande de traction pour un véhicule électrique peut être réalisé seulement par un logiciel, donc à prix réduit et peut avoir des performances élevées ; Réponse rapide : dans un véhicule classique, le temps de réponse est beaucoup plus lent ceci est dû au système mécanique (plus de 200ms nécessaire pour ouvrir la boite de vitesse). Tandis que, le temps de réponse du couple d’un moteur électrique est de moins de 10ms. I.7 Structure du véhicule électrique Le véhicule sur lequel sera implémentée l’architecture de contrôle est schématisé par une plate-forme rectangulaire montée sur quatre roues. Le véhicule est constitué de deux roues motrices parallèles en arrière [8]. Chacune de ces deux roues est entraînée indépendamment l’une de l’autre par un actionneur à courant continu. L’équilibre de la plate-forme est garanti par deux roues libres en avant. Le changement de direction est obtenu grâce à un actionneur à courant continu en avant et la différence de vitesses de rotation des deux roues motrices. C’est pour cela qu’on désigne ce véhicule par : (voir Figure 1.8). 14 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques M.D. Figure 1.8 Présentation du véhicule I.7.1 Critères de choix des roues motrices Les roues motrices du véhicule doivent être identifiées très tôt dans un tel projet puisque les performances du véhicule dépendent grandement de leurs dimensions. Le couple fourni par le moteur ainsi que la vitesse maximale du véhicule sont des exemples de paramètres qui varieront en fonction du rayon des roues motrices. [6] Les critères que nous avons considérés pour le choix des roues motrices ont été établis en fonction des performances que nous désirions obtenir. Pour obtenir une accélération intéressante, il est nécessaire de choisir des roues de rayon assez faible puisque l’inertie de rotation vue par le moteur est directement proportionnelle à ce rayon au carré. Par contre, la vitesse maximale étant elle inversement proportionnelle à ce rayon, il est important de ne pas trop le diminuer. D’où un compromis entre ces deux exigences antagonistes. L’accélération maximale dépendra également de l’adhérence du pneu. L’adhérence latérale dépend aussi de la forme des roues, ainsi que du matériau de la surface de contact avec le sol. I.7.2 Critères de choix des roues libres Les roues libres assurent la stabilité du véhicule pour les différents mouvements possibles. Plus le poids et la friction de ces roues seront importants, plus les perturbations ne seront importantes. Nous cherchons donc à obtenir une roue libre qui offre un roulement à friction très faible. Les deux roues arrière sont libres en rotation et suivent librement les changements de direction du véhicule. I.7.3 Choix des actionneurs Dans notre étude nous avons choisi le moteur à courant continue en raison de se prêtent facilement á un contrôle souple, réside dans leur adaptation simple aux moyens permettant de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation. Par ailleurs, la 15 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques commande de ce moteur dans ce type d’application constitue un domaine de recherche et d’intense activité jusqu’à ce jour. I.8 Modélisation dynamique du véhicule Dans le but d’étudier la commande du véhicule, il est nécessaire de disposer d’un modèle qui rend compte de la dynamique du véhicule à partir des efforts de traction développés par ses actionneurs et des forces de résistance au déplacement. Ainsi, cette section a pour objectif ; la modélisation de la dynamique du véhicule. Ce dernier est un système intrinsèquement non linéaire de par sa cinématique et ses caractéristiques dynamiques comme les éventuels glissements sur la chaussée, les fluctuations d’adhérence sur la route, le comportement des pneus ou encore l’inertie inhérente à tout système mécanique. Tous ces phénomènes sont complexes et difficiles à appréhender [8]. La commande d’un tel système est donc un problème qui, pour être résolu de façon satisfaisante, doit prendre ces non-linéarités en considération. Dans un premier temps, nous décrivons les différentes contraintes dynamiques sur le véhicule qui déterminent les limites à ne pas dépasser. Ces contraintes ont donc une influence sur les trajectoires autorisées pour le véhicule. I.8.1 Contraintes dynamiques sur le véhicule Il faut bien étudier les contraintes dynamiques, car le véhicule étant un système mécanique réel, il est évident qu'il existe des limites sur les forces ou les couples qui peuvent être générés. Des critères prennent en compte la vitesse et l'accélération maximale pour éviter les problèmes de dérapage et de patinage. a) Contraintes d’accélération ‘accélération et freinage’ Les contraintes d’accélération sont simples mais néanmoins importantes. Il est clair que le moteur a une borne maximale sur l’accélération γ qu’il peut fournir. Cela se traduit par: max (1.1) De même, le freinage du véhicule est contrôlé par une force de freinage qui est proportionnelle à la décélération des roues. Cette nouvelle contrainte impose : min max (1.2) b) Contrainte de vitesse maximale Il semble naturel que le véhicule aura une vitesse maximale. Alors la cinématique du véhicule peut être exprimée avec les contraintes additionnelles suivantes : 0 V x V x max max max (1.3) 16 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques c) Contrainte de non-glissement La contrainte de non-glissement réduit encore l’ensemble des accélérations admissibles. Il est nécessaire de prendre en compte les glissements en faisant référence au coefficient de glissement μ qui définit dans quelles circonstances un glissement aura lieu connaissant la force normale à la surface de contact. Si F tangentielle ≥ μ F normale alors il y aura glissement [11], [12]. Donc, on peut exprimer la relation précédente comme suit : M .M .g (1.4) Ce qui implique : V 2x V 2y .g (1.5) Où : M : Masse du véhicule ; γ : Accélération tangentielle du véhicule ; g: Accélération de pesanteur. Donc la contrainte de non-glissement se traduit par : 2 2 V 2x V 2y . g (1.6) Quand cette expression n’est pas vérifiée, il s’ensuit que le véhicule ne peut suivre sa trajectoire. Cette contrainte de non-glissement est une forme extrêmement simplifiée. Cependant, les modèles d’adhérence aujourd’hui disponibles sont souvent compliqués et font appel à de nombreuses données empiriques. Pour donner une idée de la complexité du phénomène d’adhérence, on notera que la force d’adhérence est fonction de nombreux paramètres pas toujours bien maîtrisés, [14] : F adhérences = f (Poids, Pression des pneus, Température, Etat de revêtement de la route). d) Force d’entraînement : Quand le véhicule se déplace, les couples des moteurs appliqués aux roues motrices produisent une force F qui est parallèle à l’axe Xv. Cette force est contrainte par l’expression : 0 F F max (1.7) I.8.2 Importance du calcul de la vitesse et de l’accélération maximale Lorsqu’un véhicule se déplace dans un virage, la force centrifuge le pousse hors de la courbe avec une valeur dépendante de la vitesse et du rayon de courbure. Pour cette force, il n’y a pas besoin d’un point d’appui matériel, elle est produite par l’inertie du corps. Par contre, afin d’effectuer le virage, l’accélération normale produite par l’angle de rotation pousse le véhicule dans le sens contraire. 17 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques Les roues posées sur le sol doivent produire la force centripète qui ramène le véhicule dans la courbe. Ces deux forces en équilibre vont se traduire par un déplacement correct, sinon le déséquilibre produira la dérive du véhicule. Cette dérive a lieu à cause d’une adhésion des roues au sol qui ne correspond pas à la vitesse de déplacement. Lors d’un démarrage, les roues motrices imposent une force de traction au véhicule qui va engendrer le mouvement, si cette force est très importante, les roues patinent. Décomposons le poids du véhicule en une composante dirigée vers le centre de la trajectoire du véhicule, et une composante oblique, dirigée vers le sol, figure 1.9, Soit α l’inclinaison de la composante oblique sur la verticale [15]. Figure 1.9 Déplacement du véhicule dans un virage sur une chaussée inclinée d’un angle α. La condition de non dérapage se traduit par : M .V 2 ( M .g. sin .M .g. cos ) (1.8) Où : ρ : Rayon du virage. V : Vitesse du véhicule. μ : Coefficient de friction des pneus du véhicule sur la route. Par suite, la valeur maximale Vmax de la vitesse avec laquelle le véhicule peut aborder le virage sans risque de dérapage vaut: V max .g. (1.9) Pour diminuer le risque de dérapage, nous pouvons : Diminuer la vitesse du véhicule V. Augmenter le rayon de courbure ρ de la trajectoire. Augmenter le Coefficient de friction des pneus du véhicule. Pour virer, le véhicule doit donc incliner son plan vers la concavité du virage. L’inclinaison dépend de la vitesse et du rayon de la trajectoire ; plus le véhicule va vite et vire court, plus il doit s’incliner. La vitesse maximale est donc contrainte par les mouvements en rotation [8]. 18 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques I.8.3 Couples résistant au déplacement Le couple résistant à la roue (Cr roue) lié à l'effort résistant total (Frt) que doit vaincre le système de motorisation est donné par la relation: C r roue F rt .r [ R r R a R p].r (1.10) Ou : Rr: Résistance au roulement. Ra : Résistance aérodynamique. Rp: Résistance due à la pente. r : rayon d’une roue. Nous raisonnerons sur un véhicule de masse M, à deux roues motrices de rayon extérieur r situées à l’avant, son accélération est γ, sa vitesse V. Tous les couples résistants seront exprimés en fonction du facteur Mgr/2 caractéristique du véhicule. I.8.4 Roulement uniforme sur sol plat Les efforts résistants sont alors: La résistance au roulement qui fait intervenir les pertes d’énergie se produisant dans la surface de contact entre la roue et la surface de roulement. La résistance aérodynamique. a) Résistance au roulement Rr L’expérience montre que la force qu’il faut appliquer à une roue pour la faire avancer en tournant est égale au produit du poids Mg par le coefficient de frottement de roulement fr [8]. R r f r .M .g (1.11) g: accélération due à la gravité (9.81m/s2). M: masse totale du véhicule (kg) fr: coefficient caractérisant la résistance au roulement dépend de la nature et de l’état du bandage de la roue, du sol et de la vitesse de déplacement Nous donnons ci-dessous quelques valeurs indicatives de fr en fonction de l'état du terrain: Pneumatique sur bon terrain : fr= 0.015 à 0.03 Pneumatique sur mauvais terrain : fr= 0.15 Pneumatique en tout terrain : fr= 0.2 à 0.3 b) Résistance aérodynamique Ra : L’expression de la résistance aérodynamique est la suivante [7] 1 2 R a . a .s. c x .V V V 2 (1.12) 19 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques Ou : ρa: désigne la masse volumique de l’air (ρ=1.293 kg/ m3); _ S : est la surface frontale du véhicule en [m2]; Cx : est le coefficient de pénétration dans l’air (mesuré expérimentalement); V : est la vitesse du véhicule en [m/s] ; Vv : est la vitesse du vent en [m/s]. En l’absence de vent, on peut considérer cette force comme proportionnelle au carré de la vitesse du véhicule. La résistance aérodynamique n'intervient réellement qu’à partir de 60Km/h, mais devient rapidement prépondérante ensuite. Le couple maximum de roulement à plat (hors pertes dans la transmission) sera donc, pour une roue [18]: Croulement = 0.08 Mgr/2 véhicule avec pneumatiques. Croulement = 0.01 Mgr/2 véhicule avec bandage plein. I.8.5 Franchissement de pente Appliquer le théorème de la résultante dynamique (figure 1.10), dans l’hypothèse d’un mouvement uniforme, conduit à l’équation suivante : R p M .g sin (1.14) Le couple nécessaire au franchissement vaut pour une roue : 1 C P R p .r .M .g.r sin 2 (1.15) Ou : M : masse du véhicule en [Kg]. g : l’accélération de pesanteur. r : rayon d’une roue. φ : Angle de la pente. Figure 1.10 Franchissement de pente. 20 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques I.8.6 Franchissement d’obstacles Le véhicule doit, en principe, pouvoir franchir des obstacles jusqu’à une hauteur h égale au demi rayon de roue r/2(figure 1.11). Le couple nécessaire au franchissement est: 1 C f . sin .M .g.r avec max 600 2 (1.16) Figure 1.11 Franchissement d’obstacles. Notons que ce couple estimé est surdimensionné ; en effet [11] Un obstacle n’est jamais attaqué à vitesse nulle. L’adhérence naturelle de la bande de roulement et/ou l’écrasement du pneumatique facilitent le franchissement. Le rayon de la roue doit être le plus grand possible, pour faciliter le franchissement des obstacles. I.8.7 Accélération La résistance inertielle totale vaut : R i M . J (1.17) Au maximum, le deuxième terme est couramment estimé à 15% du premier. Le couple nécessaire à l’accélération du véhicule est donc, pour une roue [12]: r C acc 1.15. .M .g. g 2 (1.18) Notons que (γ/g) caractérise la performance du véhicule en accélération. I.8.8 Résistance au glissement (adhérence) Pour qu’une roue tourne effectivement, il faut qu’elle adhère au sol. L’expérience montre que pour déplacer un corps sur une surface, il faut lui appliquer une force égale au produit de son poids par un coefficient de frottement de glissement. R g .M .g (1.19) Le coefficient μ dépend également de la nature des surfaces en contact [6], (Tableau (1.1)). 21 CHAPITRE I Généralités sur les Véhicules Electriques Pneu neuf sur µ Béton ordinaire (sec) 0.7 Macadam propre et sec 0.6 Asphalte sec 0.5 à 0.75 Asphalte mouillé 0.25 à 0.4 Goudron humide 0.2 à 0.3 Terrain meuble 0.1 à 0.2 Béton rugueux 0.9 à 1 Tableau 1.1.Quelques valeurs de coefficient de friction μ. On voit donc qu’en général Rr est beaucoup inférieure à Rg, il en résulte que si on applique une force suffisante aux roues d’un véhicule il avance, la roue tournant sans glisser. I.9 Conclusion Nous venons de présenter, dans ce chapitre une petite historique sur le véhicule électrique, et un aperçu sur leur actualité récente, ainsi les éléments constitue une chaine de traction ainsi les différents configurations et/ou architectures existant. Par la suite nous avons abordé une modélisation dynamique du véhicule électrique avec études de quelques situations affronte le mouvement du véhicule tel que franchissement d’une pente, d’obstacle, accélération, …etc. 22 Système de Contrôle De La Chaîne de Traction CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction II.1 Introduction On s’intéresse dans ce présent chapitre à la présentation du système de contrôle de la chaine de traction, que nous voulons l’intégrer dans notre réalisation. Le système de traitement numérique DSPACE est exploité pour effectuer la tache de contrôle, afin de l’implémenter au sein de notre véhicule Le DSPACE est un support pour l’implémentation des algorithmes de commande et pilote ainsi les autres étages constituant la chaine électronique telle que les hacheurs. Par la suite nous présentons une description sur les réseaux sans fil afin de télé opérer le véhicule à distance. II.2 Description de la Chaîne de Traction Le système de traction électrique (figure 2.1) est l’organe principal du véhicule électrique. Ce dernier est propulsé électriquement par des moteurs et comporte un système de transmission formé par un ou plusieurs moteurs électriques entrainant deux roues motrices. Batterie Hacheur MCCAP Charge du véhicule Partie commande Consignes DSPACE Figure 2.1 Chaine de Traction. La structure générale de commande de machines électriques est essentiellement constituée de cinq parties : [5,7] II.3 Système de traitement numérique DSPACE DS1104 Le DSPACE DS1104 est un système de traitement numérique, au contrôle destiné à des applications « temps réel », qui assure un contrôle rapide et efficace ayant une puissance de traitement adaptée. [13] II.3.1 Architecture du DSPACE DS1104 Le DSPACE et un système contenant deux processeurs (maitre, esclave), des contrôleurs d’interruption, des mémoires, des temporisateurs et des interfaces. La figure ci-dessous présente l’architecture du DSPACE. [14] 23 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction PC Bus PCI PWM 1 x 3 phases 4 x 1 phases Interface PCI 32 MB SDRAM Contrôleur d’interruption Contrôleur de mémoires 8 MB Mémoire 4 Capture d’entrée TMS320F240 DSP Entrée/Sortie numérique 14 bits DUAL PORT RAM PowerPC 603e Périphériques de DSP Bus d’entrée/sortie 24 bits Périphériques du Maître PPC ADC 4 ch. 16 bit 4 ch. 12 bit DAC 8 chaines. 16 bit Codeur Incrémental 2 chaines Digital I/O 20bit Interfaces sériesRS232/ RS485/RS422 Figure 2.2 Architecture du DSP DSPACE DS1104 [13]. II.3.2 Processeur maître PPC (Master) [13] L’unité principale de traitement DSPACE, Motorola MPC8240, se compose de [13]: Un noyau PowerPC 603e (maitre PPC) Fonctionnant à 250 MHz (horloge d’unité centrale de traitement), Contenant une mémoire cache de données L1 de 16 Koctet, Contenant une mémoire cache d’instructions L1 de 16 Koctet, Un contrôleur d’interruption ; Contrôleur synchrone de la mémoire DRAM ; Plusieurs temporisateurs ; Une interface PCI (5 V, 32 bites, 33MHz) ; II.3.3 Dispositifs d’entrées/sorties du PPC maître Le PPC maître contrôle les unités entrée/sortie suivants [13]: 1. Unité ADC (Analog Digital Converter) Le PPC maître contrôle une unité ADC comportant deux types différents de convertisseur analogique/numérique un convertisseur analogique/numérique (ADC1) multiplexé à quatre canaux. Les signaux d’entrée du convertisseur sont choisis par un multiplexeur d’entrée 4:1. Résolution : 16 bits, 24 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction Tension d’entrée : ± 10 V, Erreur : ± 5 mV, Erreur de gain : ± 25 %, Rapport signal sur bruit (SNR) : > 80 dB. quatre convertisseurs analogique/numérique parallèles (ADC2… ADC5) avec un canal pour chacun. Résolution : 12 bits, Tension d’entrée : ± 10 V, Erreur : ± 5 mV, Erreur de gain : ± 0.5 %, Rapport signal sur bruit (SNR) : > 70 dB. 2. Unité de DAC (Digital Analog Converter) Le processeur PPC maître contrôle un convertisseur numérique/analogique. 8 Canaux parallèles, Résolution : 16 bits, Tension d’entrée : ± 10 V, Erreur : ± 1 mV, Erreur de gain : ± 0.1 %, Rapport signal sur bruit (SNR) : > 80 dB. 3. Unité d’entrée/sortie numérique 20 bits d’E/S, Direction sélectionnable pour chaque canal, Courant maximal de sortie : ± 5 mA, Erreur de gain : ± 0.1 %, Technologie TTL. 4. Interface d’encodeur incrémental Permet le développement de contrôleurs avancés des robots. Canaux d’entrée pour deux encodeurs, Support des signaux RS422, Compteur de 24 bits, Fréquence maximale 1,65 MHz, Ligne de terminaison pour les signaux d’entrées différentielles. 5. Interface d’encodeur incrémental DS1104 contient un récepteur et un émetteur asynchrone universel (Universal Asynchronous Receiver and Transmitter UART) pour accomplir une communication série asynchrone avec les dispositifs externes. UART peut être configurée comme émetteur ou récepteur RS232, RS422 ou RS485. II.3.4 Processeur esclave DSP TMS 320F240 [13] Un DSP est un processeur spécialisé dans le traitement de signal. Il intègre des périphériques comme un microcontrôleur (interface de communication Série (SPI, SCI), PWM, ADC...) mais il 25 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction a la puissance de calcul d'un micro-processeur (multiplication).Aujourd'hui, la frontière est floue entre DSP et microcontrôleur. Certain de ces derniers, notamment ceux dédiés au contrôlecommande, intègre un noyau DSP comme le DSPIC [14]. Le processeur esclave DSP se compose de : un DSP (Digital Signal Processor) : processor TMS 320F240 de Texas Instruments. Ses caractéristiques principales sont : fonctionnant à 25 MHz, avec une mémoire de 4K x 16 utilisée pour la communication avec le maitre PPC. II.3.5 Dispositifs d’entrées/sorties de DSP esclave DSP esclave fournit les dispositifs d’entrée/sortie suivants : a. unité d’entrée/sortie numérique de synchronisation qui permet de générer et mesurer des signaux PWM (Pulse Width Modulated) et des signaux carrés. b. unité d’entrée/sortie qui a les caractéristiques : 14 bits d’E/S, Direction sélectionnable pour chaque canal, Courant maximal de sortie : ± 13 mA, Technologie TTL. c. Interface Périphérique Série (SPI : Serial Peripheral Interface) Le SPI est employé pour une communication synchrone de vitesse élevée avec les dispositifs connecté au DS1104, tel qu’un convertisseur analogique/numérique. II.3.6 Contrôleur d’interruption Rappelons qu’un processeur ne peut pas traiter plusieurs informations à la fois, mais grâce aux interruptions le processeur peut exécuter ou suspendre un programme donné selon la priorité des interruptions et tout cela est géré par un contrôleur spécial d’interruption. Les interruptions disponibles sur la carte sont [14]: a. Interruption d’utilisateur : Le MPC8240 du DS1104 fournit quatre interruptions qui peuvent être exprimé comme source de déclenchement dans une application en temps réel. Ces interruptions parviennent de l’extérieur du DS1104. Elles sont déclenchabes à chaque front descendant du signal externe. b. Interruption d’encodeur : Les interruptions déclenchent automatiquement une remise de la position d’encodeur. Elles sont déclenchables à chaque front montant. II.3.7 Mémoires [14] Le DSPACE est équipée de deux mémoires. a. Mémoire globale : SDRAM synchrone de 32 Mo pour les applications et les données, Mémoire cache (L1), 26 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction b. Mémoire flash : semi-conducteur, non volatile et réinscriptible 8 Mo divisée en 4 blocs de 2 Mo, 6,5 Mo pour des applications spécifiques d’utilisateur, 1,5 Mo, réservé pour le programme firmeware. II.3.8 Temporisateurs [16] Un temporisateur (Timer) est un circuit logique qui permet d’effectuer le comptage de temps, pour la génération de signaux. Le DSPACE DS1104 est équipé de 6 temporisateurs. Ils sont pilotés par l’horloge. II.3.9 Présentation du logiciel Control Desk [17] Control Desk est une interface graphique qui permet : la gestion et l’administration du DSPACE; la visualisation en temps réel de différentes variables du fichier chargé dans le DS1104 ; la modification également des paramètres définissant le mode de fonctionnement des blocs constituant le fichier monté sur le DSPACE. Il fournit en plus des fonctions d’enregistrement matériel de la gestion des applications, des fonctions de contrôle, de surveillance et d’automatisation des expérimentations. La visualisation des variables ou des signaux et la modification des paramètres sont possibles par l'intermédiaire d'instruments graphiques que l'on sélectionne. Un exemple de construction d'un écran graphique est présenté ci-après (où IHM : Interface Homme Machine). Figure 2.3 Exemple Fenêtre principale réalisé sous Control Desk. Control Desk utilise des dispositifs spéciaux et des techniques standard pour le traitement des fichiers. 27 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction Il manipule différents types de fichier afin de gérer les informations et les applications.[14] Fichier.LAY (fichier layout) contient des informations (instrument, taille, position) sur les panneaux d’instruments. Fichier.MAT (matlab binary file) utilisé pour la sauvegarde des données capturées. Fichier.PPC Fichier.SDF (System description files) Ils décrivent les fichiers à charger individuellement dans la plateforme Simulation. Ils sont générés automatiquement lorsqu’on construit des fichiers TRC avec RTI sous simulink. Fichier.TRC (Variable description files) fournit des informations sur les variables, et leur groupement. Pour charger une application, on procède comme suit : [14] Choisir la plateforme de navigation, Sélectionner la description du système, objet, ou modèle (‘.mdl’, ou ‘.SDF’), dans le sélecteur de fichier, glisser et déposer le fichier désiré dans la plateforme. Figure 2.4 Sélecteur de fichier [13]. II.3.10 Interface en temps réel RTI L’interface en temps réel (RTI) pour le DS1104 est un lien entre la partie logiciel que ce soit C, Python ou SIMULINK et la partie matériel. RTI c’est la bibliothèque de fonctions qui permet de gérer la partie matériel de l’interfaces I/O, DAC, ADC, des interruptions,…etc. Dans ce travail nous avons utilisé le SIMULINK comme logiciel de programmation. 28 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction Figure 2.5 La bibliothèque de DSPACE RTI1104 dans le Simulink. II.4 Moteur à Courant Continu II.4.1 Définition Une machine à courant continu est une machine électrique. Il s'agit d'un convertisseur électromécanique permettant la conversion bidirectionnelle d'énergie entre une installation électrique parcourue par un courant continu et un dispositif mécanique, selon la source d'énergie en rappeler deux types de fonctionnement [4]: En fonctionnement moteur : dans ce premier mode l'énergie électrique est transformée en énergie mécanique. En fonctionnement générateur : dans ce seconde mode l'énergie mécanique est transformée en énergie électrique (elle peut se comporter comme un frein). Dans ce cas elle est aussi appelée dynamo. 29 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction Figure 2.6 Principe de fonctionnement d’un moteur à courant continu. II.4.2 Machine de base ou Machine à Excitation Indépendante Une machine électrique à courant continu est constituée : d'un stator(la partie fixe d'une machine rotative) qui est à l'origine de la circulation d'un flux magnétique longitudinal fixe créé soit par des enroulements statoriques (bobinage) soit par des aimants permanents. Il est aussi appelé « inducteur » en référence au fonctionnement en génératrice de cette machine. d'un rotor bobiné relié à un collecteur rotatif inversant la polarité de chaque enroulement rotorique au moins une fois par tour de façon à faire circuler un flux magnétique transversal en quadrature avec le flux statorique. Les enroulements rotoriques sont aussi appelés enroulements d'induits, ou communément « induit » en référence au fonctionnement en génératrice de cette machine. II.4.3 Constitution et Principes Physiques Le courant (i) injecté via les balais au collecteur, traverse un conducteur rotorique (une spire rotorique) et change de sens (commutation) au droit des balais. Ceci permet de maintenir la magnétisation du rotor perpendiculaire à celle du stator. La disposition des balais sur la « ligne neutre » (c'est-à-dire la zone où la densité de flux est nulle), permet d'obtenir la force contre-électromotrice (FCEM) maximum. Cette ligne peut néanmoins se déplacer par la réaction magnétique d'induit (influence du flux rotorique sur le champ inducteur) selon que la machine travaille à forte ou à faible charge. Une surtension, due en partie à la mauvaise répartition de la tension entre lames du collecteur et en partie à l'inversion rapide du courant dans les sections de conducteur lors du passage de ces lames sous les balais, risque alors d'apparaître aux bornes de la spire qui commute et de provoquer la destruction progressive du collecteur. Pour pallier cela, c’est-à-dire compenser la réaction d'induit, et aussi améliorer la commutation, on utilise des pôles auxiliaires de compensation/commutation. 30 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction L'existence du couple s'explique par l'interaction magnétique entre stator et rotor : Le champ statorique (BS sur la figure 2.7) est pratiquement nul sur les conducteurs logés dans des encoches et n'agit donc pas sur eux. L'origine du couple reste la magnétisation transversale du rotor inchangée au cours de sa rotation (rôle du collecteur). Un pôle statorique agit sur un pôle rotorique et le moteur tourne. Une manière classique mais simpliste de calculer le couple est de s'appuyer sur l'existence d'une force de Laplace (fictive) créée par le champ statorique (BS sur le schéma) et agissant sur les conducteurs rotoriques traversés par le courant d'intensité I. Cette force (FL sur le schéma) qui résulte de cette interaction est identique en module pour deux conducteurs rotoriques diamétralement opposés, mais comme ces courants sont en sens inverse grâce au système balais-collecteur, les forces sont aussi de sens opposés. La force ainsi créée est proportionnelle à I et à BS. Le couple moteur Test donc lui aussi proportionnel à ces deux grandeurs. La tige conductrice traversée au rotor par le courant I se déplace soumise au champ statorique BS. Elle est donc le siège d'une FCEM induite (loi de Lenz) proportionnelle à BS et à sa vitesse de déplacement, donc à la fréquence de rotation. L'ensemble de ces forces contre-électromotrices a pour conséquence l'apparition d'une FCEM globale E aux bornes de l'enroulement rotorique qui est proportionnelle à BS et à la vitesse de rotation du moteur. Pour permettre au courant I de continuer à circuler, il faudra que l'alimentation électrique du moteur délivre une tension supérieure à la force contre-électromotrice E induite au rotor. Figure 2.7 Schéma de machine à courant continu vue en coupe latérale. La partie ronde en gris au centre est le rotor, qui tourne dans le sens anti-horaire. L'autre partie en gris constitue le stator. 31 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction Stator ou inducteur ou excitation ; cette partie n’existe pas dans les Moteurs à courant continu a aimants permanents Rotor ou induit Figure 2.8 Schéma électrique idéalisé. Ce schéma rudimentaire n'est pas valable en régime transitoire. Ri et Re sont respectivement les résistances du rotor (résistance de l'induit) et du stator (résistance du circuit d'excitation) Ce schéma correspond aux équations électriques suivantes : au stator : Ue=Re.Ie (loi d'ohm) et le champ statorique vaut BS=K.Ie (la moins exacte des formules de ce paragraphe, car on ne tient pas compte des non-linéarités qui sont importantes et, de plus, on suppose que la machine comporte des enroulements de compensation/commutation qui rendent ce champ indépendant des courants rotoriques. En fait, on fait passer dans ces enroulements de compensation/commutation un courant tel qu'il crée un champ annulant le champ induit au niveau des balais. Ce courant est le courant passant dans l'enroulement d'armature car le champ de commutation doit varier de la même manière que le champ induit.) au rotor : Ui=E+Ri .Ii D'autre part on a deux équations électromécaniques : La force contre électromotrice : E=K/ .BS .Ω, Où Ω correspond à la vitesse de rotation, ou pulsation, en rad/s reliée à la fréquence (nombre de tours par seconde) par la relation f=Ω/2π. Le couple électromécanique (moteur ou résistant) : T=K/.BS .Ii On peut montrer que c'est la même constante K/ qui intervient dans les deux relations précédentes ce qui implique : E.Ii =T.Ω ou « Puissance électrique utile » = « Puissance mécanique ». Imaginons une machine électrique alimentée par une source de tension U constante. Lorsque le moteur tourne à vide (il ne fait pas d'effort) il n'y a pas besoin de fournir de couple, Ii est très faible et U≈E La vitesse de rotation est proportionnelle à U. fonctionnement en moteur Lorsque l'on veut la faire travailler, en appliquant un couple résistant sur son axe, cela la freine donc E diminue. Comme U reste constante, le produit Ri .Ii Augmente donc Ii augmente, donc le couple T augmente lui aussi et lutte contre la diminution de vitesse : c'est un couple 32 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction moteur. Plus on le freine, plus le courant augmente pour lutter contre la diminution de vitesse. C'est pourquoi les moteurs à courant continu peuvent « griller » lorsque le rotor est bloqué, si le courant de la source n'est pas limité à une valeur correcte. fonctionnement en génératrice Si une source d'énergie mécanique essaie d'augmenter la vitesse de machine, (la charge est entraînante : ascenseur par exemple), Ω augmente donc E augmente. Comme U reste constante, le produit Ri.Ii devient négatif et augmente en valeur absolue, donc I augmente, donc le couple T augmente lui aussi et lutte contre l'augmentation de vitesse : c'est un couple frein. Le signe du courant ayant changé, le signe de la puissance consommée change lui aussi. La machine consomme une puissance négative, donc elle fournit de la puissance au circuit. Elle est devenue génératrice. Ces deux modes de fonctionnement existent pour les deux sens de rotation de la machine. Celle-ci pouvant passer sans discontinuité d'un sens de rotation ou de couple à l'autre. On dit alors qu'elle fonctionne dans les quatre quadrants du plan couple-vitesse. II.4.4 Machine à excitation constante C'est le cas le plus fréquent : BS est constant car il est créé par des aimants permanents ou bien encore parce que Ie est constant (excitation séparée alimenté en courant continu) Si l'on pose : BS .K/ =K, les équations du paragraphe précédent deviennent : U=E+Ri.Ii E=K.Ω T=K.Ii II.4.5 Moteur série L'excitation série étant aujourd'hui réservée à des moteurs, il n'est pas habituel d'utiliser le terme de machine à excitation série. Ce type de moteur est caractérisé par le fait que le stator (inducteur) est raccordé en série avec le rotor (induit). Donc le même courant traverse le rotor et le stator : Ii =Ie=I et la tension d'alimentation U=Ui+Ue Bs=Ke.I En admettant que le flux =K/.I , les équations de la machine deviennent : U=E+Ri .I+Re .I=E+(Ri +Re ).I E=K.Ke.I.Ω=K.I.Ω T=K.I.ke .I=K.I2 Les équations ci-dessus permettent de montrer que les moteurs à excitation série peuvent développer un très fort couple en particulier à basse vitesse, celui-ci étant proportionnel au carré du courant. C'est pourquoi ils ont été utilisés pour réaliser des moteurs de traction de locomotives jusque dans les années 1975. 33 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction Ce type de machine présente toutefois, du fait de ses caractéristiques, un risque de survitesse et d'emballement à vide. Aujourd'hui, les principales applications sont : les démarreurs d'automobiles ; les moteurs universels (perceuses, outillage à main, etc.) : le couple T=K.I2 reste de même sens quel que soit le signe de I. Une des conditions pratiques pour qu'un moteur série soit un moteur universel est que son stator soit feuilleté, car dans ce cas le flux inducteur peut être alternatif. (Remarque : une perceuse prévue pour le raccordement sur le réseau 230 V alternatif fonctionne aussi en courant continu : branchée sur une batterie d'automobile de 12 V elle tourne.) II.4.6 Excitation Shunt [6] Dans le moteur shunt, le stator est câblé en parallèle avec le rotor. Il n'y a plus beaucoup d'application à ce montage. La tension aux bornes du rotor est la même que celle aux bornes du stator donc : Ui=Ue=U BS=Ke.Ie=K.U Les équations de la machine deviennent : U=E+Ri.Ii E=K.U.Ω T=K.U.Ii II.4.7 Excitation composée ou Compound Dans le moteur compound une partie du stator est raccordé en série avec le rotor et une autre est de type parallèle ou shunt. Ce moteur réunit les avantages des deux types de moteur : le fort couple à basse vitesse du moteur série et l'absence d'emballement (survitesse) du moteur shunt. II.5 Hacheur Les hacheurs sont des convertisseurs statiques qui permettent le transfert de l’énergie électrique d’une source continue vers une autre source continue. Une soupape consiste essentiellement dans la mise en série d'une diode et d'un interrupteur qui est généralement un transistor [18]: Fonctionnement Avec un transistor IGBT Figure 2.9 Interrupteur Statique. 34 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction II.5.1 Hacheur série (BUCK) Le Schéma est donné ci-dessous. Il permet de relier une entrée de type « Tension » (qui n’a pas de discontinuité de tension) à une sortie de type « Courant » (qui n’a pas de discontinuité de courant) [18,19]. F, i1 vL iL iK1 L iD K E2 v E1 D Figure 2.10 Hacheur série [18]. II.5.2 Hacheur parallèle (Boost) Est un convertisseur statique qui convertit une tension continue en une autre tension continue de plus forte valeur. Le Schéma est donné ci-dessous. vL i1 D iD iL L E1 K F, vK E2 iK Figure 2.11 Hacheur parallèle [18]. II.5.3 Hacheur 2 quadrants réversible en courant Ce hacheur, aussi appelé "hacheur de traction", est en fait l'association d'un hacheur série et d'un hacheur parallèle [18]. En supposant que la tension d'entrée est supérieure à la tension de sortie: Le hacheur série (composé de E1,K1, D2, L et E2 dans cet ordre) fait transiter l'énergie de l'entrée vers la sortie (par exemple: d'une batterie vers un moteur à courant continu). Le hacheur parallèle (composé de E2, L, K2, D1 et E1 dans cet ordre) fait remonter l'énergie de la sortie vers l'entrée (donc ici, du moteur fonctionnant en génératrice vers la batterie, c'est le freinage par récupération). Cet assemblage des 2 soupapes et des 2 diodes est connu sous le nom de "bras d'onduleur". 35 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction i1 D1 K1 F, iK1 iD1 E1 vL iL L iK2 iD2 v K2 E2 D2 Figure 2.12 Hacheur de Traction [19]. II.5.4 Hacheur 4 quadrants C'est l'assemblage de deux hacheurs de traction, donc 4 hacheurs élémentaires (deux hacheurs série et deux hacheurs parallèle). Figure 2.13 Hacheur 4 quadrants [19]. Le chronogramme ci-dessous correspond à une "commande complémentaire". Figure 2.14 Commande complémentaire. 1. Etude de la mise sous tension E2 peut être positif (hacheur série fondé sur K1) ou négatif (hacheur série fondé sur K2). L'étude du hacheur précédent permet de voir que IL peut être positif ou négatif. C'est donc un hacheur quatre quadrants. 36 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction Cependant, il faudra que E2 E1 . C'est donc un hacheur abaisseur de tension. 2. Etude des accumulations et des restitutions (dans l'ordre) Phase d'accumulation K1, K3:On a ; vL E1E2 , et donc : E1 E2 t cste L Phase de restitution D2, D4: On a ; vL E1E2 et donc : iL iL E1 E2 t cste L (2.1) (2.2) Phase d'accumulationK2, K4: On a ; vL E1E2 et donc : iL E1 E2 t cste L (2.3) Phase de restitution D1, D3: On a ; vL E1E2 et donc : E1 E2 t cste L 3. Etude du régime critique ou de conduction continue iL (2.4) Figure 2.15 Chronogramme de courant dans l’inductance de deux phases ‘accumulation’ et ‘restitution’. L'équation de raccordement s'écrit: 0 iL iL E1 E2 E E2 cT 1 .T cT L L (2.5) En résolvant l'équation de raccordement, on trouve: 1 E c 1 2 2 E1 (2.6) C'est le rapport cyclique critique du hacheur. 37 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction 4. Caractéristique statique de commande Dans le régime DNI, on a E 1 c 1 2 2 E1 On obtient E2 2 1E1 (2.7) (2.8) 5. Etude de la bobine Figure 2.16 Chronogramme d’ondulation de courant dans l’inductance. L'ondulation de courant dans l'inductance vaut : E E2 E I L I I 0 1 T 2 1 1 L Lf Avec f 1 . T (2.9) II.6 Le réseau sans fil Un réseau sans fil (en anglais Wireless network) est, comme son nom l'indique, un réseau dans lequel au moins deux terminaux (ordinateur portable, PDA, etc.) peuvent communiquer sans liaison filaire. Grâce aux réseaux sans fil, un utilisateur a la possibilité de rester connecté tout en se déplaçant dans un périmètre géographique plus ou moins étendu, c'est la raison pour laquelle on entend parfois parler de "mobilité"[20]. II.6.1 Communication entre équipements L’architecture d’un réseau WiFi est basée sur un système cellulaire. Il existe deux principaux modes de fonctionnement. II.6.1.1 Le mode ad hoc En mode ad hoc, (Voir figure 2.17), il n’y a aucune administration centralisée. Il n’existe pas de point d’accès. Les stations terminales communiquent directement entre elles selon des liaisons point à point ou point multi point. Ces stations forment une cellule appelée IBSS (Idependant Basic Service Set). 38 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction STA: station terminal IBSS: Independent Basic Service Set Figure 2.17 Mode ad hoc [20]. II.6.1.2 Le mode infrastructure Dans ce mode, une station de base appelée Access Point (point d’accès) gère toutes les stations terminales à portée radio. Il permet aux stations terminales de communiquer entre elles et avec des stations d’un réseau filaire existant. L’ensemble constitué par le point d’accès et les stations sous son contrôle forme un BSS (Basic Service Set/Ensemble de services de base) ; la zone ainsi couverte est appelée BSA (Base Set Area), Voir figure 2.18 STA: Station Terminal BSS: Basic Service Set DS: Distribution System ESS: Extended Service Set ESS Figure 2.18 Mode infrastructure [20]. Le BSS est identifié par un BSSID qui est généralement l’adresse MAC du point d’accès. Un ensemble de BSS forme un ESS (Extended Service Set). Les BSS (plus précisément leurs points d’accès) sont interconnectés via un DS (distribution system/système de distribution). Le système de distribution ou back bone est implémenté indépendamment de la partie sans fil, c’est généralement un réseau Ethernet, mais il peut aussi être un réseau Token Ring, FDDI ou un autre réseau local sans fil. Cette architecture permet aussi d’offrir aux usagers mobiles l’accès à d’autres ressources (serveurs de fichier, imprimante, etc.) ou d’autres réseaux (Internet). 39 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction L’ESS est identifié par un ESSID communément appelé SSID est qui constitue le nom du réseau. Le SSID est un premier niveau de sécurité, vue que la station doit connaître ce SSID pour pouvoir se connecter au réseau. Dans le mode infrastructure, Il existe plusieurs topologies qui dépendent des caractéristiques de la zone à couvrir, du nombre d’utilisateurs, des besoins de mobilité, du choix des canaux et du trafic. En fonction de ces critères, on opte pour l’une des topologies suivantes : II.6.1.2.1 Topologie à cellules disjointes Cette topologie, illustrée à la figure 2.19, se justifie en cas de faible nombre de canaux disponibles ou si l’on souhaite éviter toute interférence. Il est toutefois difficile de discerner si les cellules sont réellement disjointes, sauf lorsqu’elles sont relativement éloignées. Dans ce type d’architecture, la mobilité n’est pas possible [21]. Figure 2.19 Topologie à cellules disjointes. II.6.1.2.2 Topologie à cellules partiellement recouvertes Cette topologie, illustrée à la figure 2.20, est caractéristique des réseaux sans fil. Elle permet d’offrir un service de mobilité continue aux utilisateurs du réseau, tout en exploitant au maximum l’espace disponible. Cependant, elle exige en contrepartie une bonne affectation des canaux afin d’éviter les interférences dans les zones de recouvrement. Cette topologie est à privilégier en cas de déploiement d’une solution de téléphonie IP WiFi [20]. Figure 2.20 Topologie à cellules partiellement recouvertes. II.6.1.2.3 Topologie à cellules recouvertes Dans cette topologie, illustrée à la figure 2.21, une bonne configuration des canaux est également nécessaire afin d’éviter les interférences. Elle permet, dans un espace restreint pratiquement à une cellule, de fournir la connectivité sans fil à un nombre important d’utilisateurs. C’est pourquoi elle est utilisée dans les salles de réunion ou lors des grandes conférences dans le but de fournir un accès sans fil fiable à tous les participants. 40 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction Figure 2.21 Topologie à cellules recouvertes. II.6.2 Communication entre équipements en mode infrastructure Dans le mode infrastructure les stations se trouvant dans la même cellule sont fédérées autour du point d’accès avec lequel ils rentrent en communication. Cette communication est basée sur un système distribué pour l’accès au canal de communication. Le système d’accès multiple n’existe pas en WiFi, ce sont alors les techniques d’accès citées précédemment, équipermettent de résoudre le problème de partage du canal de communication. II.6.2.1 Communication entre station et un point d’accès Lors de l’entrée d’une station dans une cellule, celle-ci diffuse sur chaque canal une requête de sondage (Probe Request), contenant l’ESSID pour lequel il est configuré, ainsi que les débits que son adaptateur sans fil supporte. Si aucun ESSID n’est configuré, la station écoute le réseau à la recherche d’un ESSID. En effet, chaque point d’accès diffuse régulièrement (0.1 seconde) une trame balise contenant les informations sur son BSSID, ses caractéristiques et éventuellement son ESSID. L’ESSID est automatiquement diffusé, mais il est possible (même recommandé) de désactiver cette option. A chaque requête de sondage reçue, le point d’accès vérifie l’ESSID et la demande de débit présent dans la trame balise. Si l’ESSID correspond à celui du point d’accès, ce dernier envoie une réponse contenant des informations sur sa charge et des données de synchronisation. La station recevant la réponse peut ainsi constater la qualité du signal émis par le point d’accès afin de juger de la distance à laquelle elle se trouve. Le débit est d’autant meilleur que le point d’accès est proche [20]. II.6.2.2 Communication entre deux stations à travers un point d’accès Pour entrer en communication avec une station destinatrice B, la station émettrice A doit d’abord passé par le point d’accès pour son authentification et son association. Pour cela, la station A envoie une trame de demande d’authentification au point d’accès qui lui répond avec une trame réponse d’authentification. Après l’échange de trames d’authentification, la station A envoie au point d’accès une trame de requête d’association, ce dernier envoie à son tour une trame de réponse à la requête d’association permettant ainsi à la station A d’avoir accès à la station B [20]. 41 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction Avant de transmettre ses données à la station B, la station A lui envoie d’abord un paquet d’appel sous forme d’une trame RTS. Si cette trame est correctement reçue par la station B, alors cette dernière l’acquitte avec une trame CTS. La station A vérifié si la trame CTS est reçue sans erreur, auquel cas elle peut envoyer ses données. Au cas échéant la procédure sera reprise. II.6.2.3 Le Handover Les stations qui se déplacent d’une cellule à une autre doivent rester synchronisées pour maintenir la communication. Le point d’accès envoie périodiquement des trames de gestion, plus précisément des trames balises (Beacon frame) qui contiennent la valeur de son horloge, aux stations qui peuvent ainsi se synchroniser. La station terminale choisit son point d’accès en fonction de la puissance du signal du point d’accès, du taux d’erreurs par paquet et de la charge du réseau [20]. La station demande à accéder à une BSS dans deux cas : Terminal qui était éteint et qui par la suite est mis sous tension Terminal en déplacement L’adaptateur réseau est capable de changer de point d’accès selon la qualité des signaux reçus et provenant des différents points d’accès. Les points d’accès peuvent aussi communiquer entre eux et échanger des informations concernant les stations grâce au système de distribution (DS). Pour pouvoir s’associer à un point d’accès, c'est-à-dire établir un canal de communication avec le point d’accès, la station procède à une écoute de l’environnement. Ecoute passive: la station attend la réception d’une trame balise appelée Beacon Frame venant du point d’accès. Ecoute active: la station, après avoir trouvé le point d’accès le plus approprié, lui envoie une demande d’association via une trame appelée Probe Request Frame. La station peut envoyer une requête d’association à un ou plusieurs points d’accès. Le point d’accès envoie une réponse à la requête. Si c’est un échec, la station prolonge son écoute. En cas de succès, la station accepte l’association. Le point d’accès signale la nouvelle association au DS, qui met à jour sa base de données puis informe l’ancien point d’accès afin qu’il puisse libérer ses ressources. 42 CHAPITRE II Système de Contrôle de la Chaîne de Traction II.7 Conclusion Dans ce chapitre nous avons présenté une description générale de la chaine de traction. On ‘a aussi présenté un aperçu sur les différents éléments qui constitue le système de contrôle tel que le DSPACE et le ControlDesk Par la suite nous avons présenté les différents types d’hacheurs utilisés pour la commande des machines à courant continu. En clôture par une description sur les réseaux sans fil et la présentation de leur différent type de topologies dont le but d’intégrer la commande à distance à notre véhicule. 43 Conception et Réalisation Du Véhicule électrique CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique III.1 Introduction Comme nous avons signalé précédemment que l’objectif de notre mémoire est la conception et la réalisation d’un véhicule électrique dont le contrôle est assuré par la carte DSPACE présenté dans le chapitre précédent, ce chapitre est structuré en trois partie : 1. Partie conception 2. Partie réalisation a. Partie Mécanique b. Partie Electrique et Electronique c. Partie électromécanique 3. Partie Contrôle Le chapitre est clôturé par des séries de test. III.2 Conception du Véhicule Electrique Le principe de notre réalisation est schématisé dans la figure 3.1, il s’agit d’un véhicule électrique à deux roues motrice entrainées par deux moteurs a courant continu a aiment permanent, et un moteur de direction de même type. Le système de contrôle est un DSPACE placé dans le véhicule. Le contrôle implémenté dans le DSPACE possède deux boucles de régulation (courant et vitesse) .Les mesures est assuré par deux capteurs, un pour la mesure de courant et l’autre est un codeur incrémental pour mesuré la vitesse, la partie puissance est assurée par trois hacheur à IGBT, un étage d’isolation et un étage pour le driver. D’autre part le véhicule est commandé à distance par un PC via un réseau sans fil de type WIFI (partage bureau). Figure 3.1 Schéma de conception. 44 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique III.3 Etape de conception du véhicule électrique La figure suivant représente une photo avec légende du véhicule électrique réalisé : Figure 3.2 photo du véhicule électrique III.3.1 Partie mécanique Dans cette partie on présente les différents éléments réalisés dans l’atelier mécanique. Les figures 3.3 et 3.4 représente les dessins techniques des axes utilisés. 1. Les axes : sont des éléments principaux permettant d’accoupler la roue avec le moteur, 45 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique Figure 3.3 Dessin technique d’un axe Figure 3.4 Dessin technique d’un axe avant. arrière. 2. Les sous assemblage : c’est un élément permet l’accouplement roue avec l’axe.les figure Ci-dessous les dessins de sous assemblage des roue avant et arrière. 1 : Pneus avant 4 : Axe avant 13, 14 : Roulement a Bille [BC] 15 : Entretoises Figure 3.5 Sous Assemblage Roue Avant. 6 : Pneus Arrière 9 : Boitiers 16,17 : Roulements à Bille [BC] 18 : Axe Arrière Figure 3.6 Sous Assemblage Roue Arrière. 3. Le Châssis : c’est un support ou bien une plateforme de base permet d’assembler l’ensemble des éléments de véhicule électrique [8] 46 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique 1 : Pneus Avant 5 : Tige de direction 2 : Châssis 6 : Pneus Arrière 3 : Croisions 07-08 : Moteur CC de traction Arrière 4 : Axe Avant 09 : Moteur CC de direction Figure 3.7 Vus dessous et dessus du véhicule. La figure suivante donne un aperçu sur la partie mécanique du véhicule. 2 10 7 8 6 1 : Roue libre avant droite 2 : Moteur avant de direction 3 : Chassie 4 : mécanisme de direction 5 : Roue libre avant gauche 1 9 4 3 5 6 : Roue de traction arrière droite 7 : Moteur droite arrière 8 : Moteur gauche droite 9 : Réducteur 10 : Roue de traction arrière gauche Figure 3.8 Photo du véhicule électrique face avant et arrière. 47 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique III.3.2 Partie Electrique et Electronique La structure électrique et électronique du véhicule électrique est illustrée dans La figure 3.9 Isolation Driver Circuit d’aiguillage H3 M.A Fin de course +capteur de l’angle de braquage Capteur à Ultrason Carte D’acquisition Wireless LAN Carte Interface Et Contrôle Capteur de courant Carte PC Embarqué Encodeur Isolation Driver Isolation Driver H1 H2 M1 M2 Alimentation Batterie Chargeur Figure 3.9 structure électrique et électronique du système 48 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique III.3.2.1Description de la structure électrique et électronique du système : III.3.2.1.a Partie commande : a. dSPACE : se comporte de deux partie, carte DS1104 et interface d’E/S comme l’indique dans les deux figure suivante : Figure 3.10 interface E/S. Figure 3.11 carteDS1104 b. Isolation électrique et adaptation : Isolation électrique L’isolation électrique nous garantit la protection contre les forts courants qui peuvent survenir de la partie puissance. Elle est réalisée à partir d’un circuit à double Optocoupleur rapides, c’est le HCPL2530 voir figure 3.12 La figure 3.12 représente le brochage de l’Optocoupleur en réalisant l’isolation électrique entre la partie commande (DSPACE) et la partie puissance. La valeur de résistance RL dépend de la constante de temps du système qui sera fixée au moment de la mise au point. Dans notre cas pour un temps de réponse de t=2 microseconde avec une constante de temps T = 0.66 microseconde RL = 200 Ω. Figure 3.12 Montage HCPL2530 [22]. 49 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique Adaptation d’impédance et amplification de puissance L’adaptation d’impédance et l’amplification de courant entre la carte interface et le driver des IGBT est réalisée un montage Push Pull formé par deux transistors complémentaires qui fonctionnent en classe B. voir figure 3.13 Figure 3.13 Montage Push-Pull III.3.2.1.b Partie Puissance La commande du véhicule électrique se résume à la commande des actionneurs qui le constituent. Dans notre cas on a deux moteurs placés à l’arrière du véhicule pour la propulsion et un moteur avant pour la commande de la crémaillère. III.3.2.1.b.1 Commande des moteurs de propulsion : Le schéma global du circuit de commande des moteurs arrière du véhicule réalisé est reproduit à la figure 3.14 La conception de la carte de commande des moteurs arrière nécessite une bonne isolation électrique ainsi une adaptation d’impédance adéquate. Le circuit de puissance est comporté de deux hacheur 4 quadrant à base d’IGBT .Cette commande est basé sur le principe de la modulation de largeur d'impulsion MLI dite aussi PWM (pulse width modulation).Ce dernier est généré par le DSPACE embarqué dans notre véhicule, par l’intermédiaire d’un driver. (Voir la figure 3.14) 50 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique Figure 3.14 Structure du Circuit de commande des moteurs arrière. Selon le schéma de cette figure nous distinguons : Une commande identiques des deux moteurs constitués chaque une de: Un hacheur en pont H à base des IGBT permettant la commande en vitesse d’un moteur. De deux drivers permettant de piloter les quatre IGBT. a. Driver C’est un circuit intégré qui permet le pilotage en haute fréquence de deux IGBT, sous des tensions pouvant atteindre 600v, en garantissant l'isolation électrique de chaque étage (générer un temps mort (Dead Time) fixe de 540 ns à l'aide d'une résistance a pour but d'éviter le problème d'empiétement entre les 2 IGBT). Voir figure 3.15 Figure 3.15 Schéma électronique du driver [22]. 51 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique Dans ce montage, les condensateurs assurent le filtrage des alimentations VCC et VB. La tension VCC doit être comprise entre 10v et 20v. L'alimentation VB est obtenue à partir de VCC, par charge du condensateur à travers TO et Load, lorsque le deuxième IGBT est saturé. Les entrées IN et SD sont des entrées logiques, compatibles CMOS et TTL. Les niveaux de basculement sont liés à la valeur de la tension d'alimentation Vcc. Par exemple, pour VCC=15v, le niveau haut est compris entre 9,5v et 15v, le niveau bas est compris entre 0v et 6v. L'entrée logique SD assuré l'arrêt d'urgence, lorsqu'elle est au niveau haut, bloque la sortie HO (HO= 0). Lorsque SD est au niveau bas, les impulsions qui arrivent sur IN sont présentes sur la sortie HO. Grâce à la bascule RS, une impulsion en partie bloquée par SD, reste bloquée jusqu'à sa fin. Cette propriété peut être utilisée pour moduler les largeurs d'impulsions à partir de l'entrée SD [22]. Voir les deux Figures (figure 3.16, figure 3.17). Figure 3.16 Chronogramme des Figure 3.17 Schéma interne du driver [22]. entrées logiques IN, SD et la sortie b. IGBT (SGW25N12) L'IGBT utiliser dans notre montage est le SGW25N12 qui supporte comme tension maximal jusqu'au 1200V et pour le courant environ 25A, et avec 15 volt tension d'amorçage. En place entre le collecteur et l'émetteur de l'IGBT une diode antiparallèle joue le rôle de diode roue libre. Figure 3.18 Schéma de l'IGBT. 52 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique c. Pont H (Hacheur) Nous avons réalisé un Pont H à base d’IGBT SGW25N12, le principe de fonctionnement est semblable à ce qui est présenté dans le chapitre précédent. Figure 3.19 Schéma de Pont H. La technique la plus utilisée est la Modulation de Largeur d'Impulsion(MLI) ou Pulse Width Modulation (PWM) en anglais. (Voir figure 3.20) Figure 3.20 Signal MLI ou PWM. Pour contrôler la vitesse du moteur on fait varier le rapport cyclique TON du signal MLI TOFF généré par le DSPACE : 50% Marche Avant 50% Marche Arrière 50% Frein La figure suivante représente le Schéma du Circuit de commande des moteurs arrière et la photo complète d’un Hacheur quatre quadrants pour la commande d’un moteur arrière. 53 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique Figure 3.21 Schéma du Circuit de commande des moteurs arrière Figure 3.22 photo de l’hacheur réalisé 54 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique III.3.2.1.b.2 Système de direction du véhicule : L’exécution de la variation de la direction du véhicule est réalisée par la commande du sens de rotation ainsi que la vitesse d’un moteur à courant continue entrainant la crémaillère, selon une consigne de direction bien choisis par l’intermédiaire de l’interface graphique. La figure illustre le schéma synoptique de la chaine de commande de la direction du véhicule électrique. Capteur de l’angle de braquage C I R C U I T Dspace Fin de course D I S O L A T I O N C I R C U I T D A D A P T A T I O N CIRCUIT Hacheur A Base D’EGUILLAGE D’IGBT M Figure 3.23 schéma synoptique de la chaine de commande de la direction du véhicule. a-Partie commande : La partie commande est assurée par le dSPACE couplé avec un circuit d’isolation électrique composé par deux opto-coupleur (6N136) un destiner à la pour MLI et l’autre pour le sens de direction. Un circuit push pull est utilisée pour assurée une bonne adaptation d’impédance entre la partie commande et la partie puissance (voir figure 3.24). 55 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique source 15 V source 12 V Q1 MMBTH10 OPTO-COUPLEUR Signal MLI 1 B C A 6 5 Q3 R1 2 MPS6518 4 K 10k E R5 10k Figure 3.24 schéma du circuit d’isolation et d’adaptation b- Partie puissance : Cette partie est composée d’un Hacheur série à IGBT et d’un circuit déguillage à base d’un relai bilames 24V dont la bobine est alimentée à travers d’un transistor bipolaire de commutation (BDW93C) .La figure suivante représente Schéma du Circuit de commande du moteur de direction Réalisé et la photo de la carte de commande de la direction du véhicule source 15 V source 12 V Q1 MMBTH10 DRIVER 3 OPTO-COUPLEUR Signal MLI 1 A B C 10 6 5 11 Q3 R1 2 4 K E MPS6518 12 VC VB COM HO VS LO HIN SD LIN IGBT SGW25N120 6 R3 7 5 1 10k 10k D1 2 R5 1M110ZS5 10k source 24 V IRG4BC20S OPTO-COUPLEUR commande sens 1 A B C 2 6 5 4 K E R2 10k RL1 DIODE RLY-DPCO R4 10k SD D2 Q2 MMBTH10 +88.8 Figure 3.25 Schéma du Circuit de commande du moteur de direction Réalisé 56 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique Figure 3.26 photo de la carte de commande de la direction du véhicule III.3.2.1.c Acquisition La partie acquisition composé de deux parties : i. Capture de courant Pour produire une tension qui l’image exacte (avec un facteur de proportionnalité connu) du courant à mesurer ou à visualiser. Nous utiliserons un capteur à effet hall qui pourra mesurer des courants entre 0 et 25A efficaces .la référence du capteur est le : « LEM LA25-NP » voir figure 3.27 1. Capteur de courant multi-calibre de type boucle fermée (à compensation) utilisant l'effet Hall 2. Boîtier injecté en matière isolante auto-extinguible de classe UL 94-V0. Figure 3.27 Capteur de courant LA25-NP[22]. Caractéristique du capteur à effet hall A l’entrée du capteur se mesure un courant et à la sortie se récupère une tension qui est proportionnelle au courant V=f(I), à l’aide d’une résistance de mesure (capteur isolé). Avantage : 1. Très bonne linéarité 2. Faible dérive en température 3. Temps de retard court 4. Bande passante élevée 5. Pas de pertes d'insertion apportées dans le circuit à mesurer 57 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique 6. Grande immunité aux perturbations extérieures 7. Surcharges de courant supportées sans dommage Utilisations : 1. Variateurs de vitesse et entraînements à servomoteur AC 2. Convertisseurs statiques pour entraînements à moteur DC 3. Applications alimentées par batteries 4. Alimentations Sans Interruption (ASI) 5. Alimentations à découpage 6. Alimentations pour applications de soudage. ii. Mesure de Vitesse via Codeur Incrémental Le codeur incrémental est un capteur angulaire de position (figure 3.28). Il est destiné à des applications de positionnement, de contrôle de déplacement ou de mesure de vitesse d'un mobile, par comptage et décomptage des impulsions qu'il délivre. Son axe est lié mécaniquement à l’arbre de la machine qui l’entraîne. Il fait tourner un disque incassable comportant des zones opaques et transparentes. Une diode L.E.D. émet un rayonnement lumineux arrivant sur des photodiodes au passage de chaque zone transparente du disque. Le codeur incrémental délivre des impulsons permettant la définition d’une direction et un comptage. Nous avons intégré des fins de courses permettant de couper le courant, dès que la roue arrive à sa limite. Nous avons exploité un potentiomètre pour mesurer la position de l'avant et des fins de courses afin de détecter les fins. Figure 3.28 Codeur incrémentale [22]. 58 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique iii Capteur de l’angle de braquage : L’angle de braquage est obtenu à l’aide d’un capteur potentiométrique loger au niveau de la crémaillère comme indiqué à la figure suivante. Figure 3.29 photo du capteur potentiométrique iv capteur de fin de course : Deux fin de course utilisé pour limité l’angle de braquage à 45° droite ou gauche afin d’assuré un arrêt totale de sécurité au moteur de direction comme entourer en rouge à la figure suivante. Figure 3.30 photo indiquant les fin de courses 59 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique v Capteur de proximité VELLEMAN - VM125 Le capteur de proximité utilisé est un capteur à ultrasons, il permet le contrôle de la distance à respecter entre les véhicules et l’arrêt immédiat en cas de détection d’un obstacle proche comme mesure de sécurité. Voir figure 3.31 et figure 3.32 Caractéristiques techniques : Sortie buzzer : rapide / lent / continu, Indication de distance par trois (3) LEDs, Distance d'alarme réglable, Indication LED d’alarme, Relais contact sec NO/NF, utilisé pour provoquer la coupure de courant au moteur en cas d’urgence. Portée: 20 à 250cm, Fréquence: 40 kHz, Sortie numérique : 5V, reliée à l’entrée numérique du dSPACE. Sortie analogique : 0 à 5V, reliée à l’entrée ADC du dSPACE. Sortie buzzer : 12V, Contacts relais : 1A basse tension NO/NF, Alimentation : 12VCC /200mA max, Dimensions : 110x50x18mm. Figure 3.31 Photo face avant du véhicule avec capteur a ultrason III.3.2.1.dGestion de l’alimentation Figure 3.32 capteur de proximité III.3.2.1.d Gestion de l’alimentation : Les sources des alimentations nécessaires au bon fonctionnement des moteurs ainsi des cartes de commandes de notre véhicule sont réparties comme suite : Une source de tension 24 volts : les moteurs utilisés sont à courant continue qui nécessite une alimentation allant de zéro à la tension nominale de 12 volts à des courant qui dépasse 4 ampères en régime critique ; mais les 60 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique hacheurs utilisés sont de type Buck (Dévolteur) à cette effet on ‘a utilisés une alimentation de 24 volts réalisée par la mise en série de deux batteries 12 volts/7AH . + + 12 V + +12V Figure 3.33 source 24 volts Figure 3.34 photo de la batterie utilisée Une source de tension de 15 volts : Les drivers utilisés pour piloter les IGBT qui composent le pont H nécessitent une tension de polarisation de 15 volts et 600 milliampères .Cette tension est obtenue en régulant la tension 24 volts à 15 volts par le biais du régulateur L200 comme indiquer ci-dessous : 15 V GND 24 V Figure 3.36 photo de l’alimentation 15V réalisé Figure 3.35 circuit de régulation De la tension 15V/600mA Une source de tension symétrique (+ et -) 12 volts : Pour l’acquisition du courant positif et négatif le capteur de courant LEM procure une alimentation symétrique (+ et – 12 volts) ; on ‘a exploité deux batteries 12 volts comme indiquer dans la figure suivante : + +12 V -12V Figure 3.37 alimentions symétrique 61 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique L’association des batteries utilisées est représentée dans la figure suivante : + -+ 24V +12V + -- -12V Figure 3.38 alimentation +12V,-12V et 24V Connecteurs et sélecteurs de l’alimentation Le mode d’utilisation des batteries est réalisé par un sélecteur a trois positions : Exploitation, charge et repos.la figure ci-dessous représente la photo des bornes de charge des batteries. Figure 3.39 photo des bornes de charge et sélecteurs de mode III.3.3 Partie électromécanique Le travail d’identification est un travail à part entière, souvent associé à l’aspect modélisation et commande de la machine. Il est nécessaire de connaître les paramètres de la machine pour la commander. Ainsi pour la validation des modèles proposés, nous avons opté pour les modèles classiques avec alimentation sinusoïdale. Ces méthodes classiques sont largement suffisantes pour l’identification des paramètres avec une précision acceptable. Pour la MCCAP on peut facilement trouver ses quatre paramètres avec les essais classiques. A partir du modèle physique, il y a lieu de déterminer les paramètres suivants : Ra, La, Kv (paramètres Electriques). F ; J (paramètres Mécaniques). 62 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique Mesure de la résistance d’induit (cas d’une MCC à aimant permanent) Pour identifier l’inductance La, on alimente le moteur par un générateur de courant alternatif comme indique la figure, une résistance en série est ajoutée pour faire visualiser le courant qui traverse l’induit du moteur ( �, �) [23]. v=f(t) i=f(t) 1 v i Rad 0.8 0.6 0.4 ~ V et I 0.2 � 0 déphasage La -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 t Figure 3.40 Montage de l’expérience. Figure 3.41 Déphasage entre la tension et le courant. D’après le graphe, on peut mesurer le déphasage entre le courant et la tension. L’inductance est déterminée par les équations qui suivantes : La , avec ( Rt Rd Ra ) R t tan 1 (3.1) Donc, on peut trouver : tan La Rt (3.2) On obtient donc : � = ���. � 3.3 Figure 3.42 Photo de l’expérience pour calculer l’inductance. Coefficient Kv (machine à aimant où E=Kv.) 63 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique On alimente le moteur à courant continu avec une alimentation stabilisée (tension de sortie E), On relève la tension aux bornes de la machine à vide en fonction de la vitesse (donnée par la dynamo Tachymétrique) pour plusieurs valeurs de E. Le coefficient de proportionnalité entre la tension à vide et la vitesse donne Kv [23]. Les paramètres mécaniques (moment d’inertie J et frottements secs fc) On alimente le moteur sous une tension continue puis on éteint brutalement l’alimentation. On relève la réponse de la dynamo tachymétrique. Si les frottements secs sont dominants, on est ramené à l’équation différentielle suivante [23]. Figure 3.43 Photo de l’expérience pour calculer le moment d’inertie. J d fc dt (3.4) d’où t fc t 0 J (3.5) La pente de la droite obtenue nous donne fc/J. III.4 Partie Contrôle La=100.10-3H, J=1,84.10-4 Kg.m2 , R=0,61 Ω L’algorithme de contrôle implémenter dans le DSPACE possède deux parties, une pour la commande de la direction et l’autre pour les deux moteurs droite et gauche la commande est la même mais inversé, ce dernier comporte deux boucles de régulation, un pour le courant et le deuxième pour la vitesse, le régulateur utilisé est de type PI, le schéma suivant présenter l’architecture de contrôle implémenté. La partie contrôle équipé d’une Interface Homme Machine sous ControlDesk permet la manipulation et/ou guidage de la véhicule (voir figure 3.43). 64 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique Figure 3.44 Schéma Synoptique de la Partie Contrôle. Figure 3.45 L’interface IHM sous ControlDesk. Régulateur PID d’un moteur à courant continu a aiment permanent La commande PID dit aussi (correcteur, régulateur, contrôleur), se compose de trois terme P, I et D, d’où le ‘P’ correspond au terme proportionnel, ‘I’ pour terme intégral et ‘D’ pour le terme dérivé de la commande. Les régulateurs PID sont probablement les plus largement utilisés dans le contrôle industriel .mémé les plus complexes systèmes de contrôle industriel peut comporter un réseau de contrôle dont le principal élément de contrôle est un module de contrôle PID. Voir figure 3.46 65 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique Le régulateur PID est une simple implémentation de retour d’information (feedback). Il a la capacité d’éliminer la compensation de l’état d’équilibre grâce a l’action intégrale, et il peut anticiper le futur grâce a une action dérivé, [24] Ω� Ω − Ω� � + 1 � Ω + �. . + . +� + 2 Figure 3.46 Régulation de vitesse PID d’un moteur a courant continue a aiment permanent. La figure suivant présente une photo capture de notre véhicule électrique, au niveau du laboratoire dans la phase de test. Figure 3.47 Photo du véhicule électrique sous test. III.5 Résultats de simulation : Pour évaluer les performances de la commande de notre véhicule, nous avons effectué des essais avec roues suspendues (figures 3.48 et figure 3.49) et avec roues en contact avec le sol (figures 3.50 et figure 3.51) dans les conditions suivantes : 66 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique 1. Essai du véhicule avec roues suspendues - Démarrage avec application d’un échelon de vitesse de 200 rpm. - Inversion de sens de rotation avec application d’un échelon de vitesse de -200rpm à l’instant t=17s. - Inversion de sens de rotation avec application d’un échelon de vitesse de 100 rpm. Figure 3.48 Courbe de la vitesse du véhicule avec roues suspendu. Figure 3.49 Courbe de courant du véhicule avec roues suspendu. 2. Essai avec roues en contact avec le sol - Démarrage en marche avant sur un plan horizontal avec application d’un échelon de vitesse de 200 rpm. - Traversé d’une pente de 3% à l’instant t=28s. 67 CHAPITRE III - Conception et Réalisation du véhicule électrique Retour au plan horizontal à l’instant t=42s. Marche arrière spontané avec application d’un échelon de vitesse -200 rpm à l’instant t=60s. Traversé d’une pente de 3% en à l’instant t=74s. Retour au plan horizontal toujours en marche arrière à l’instant t=84s. Le véhicule suive la vitesse de référence avec un temps de monté t=1s, Quand Le véhicule a entré dans une pente de 3% il a repris sa vitesse de référence très court (un rejet du perturbation rapide) et le courant est limité a sa valeur admissible. En marche arrière le véhicule possède le même comportement qu’on marche avant. Figure 3.50 Courbe de la vitesse du véhicule avec roues en contact avec le sol. Figure 3.51 Courbe de courant du véhicule avec roues en contact avec le sol. 68 CHAPITRE III Conception et Réalisation du véhicule électrique III.7 Conclusion Pour notre projet nous avons opté à réaliser un Véhicule Electrique conformément au cahier de charge suivant : 1. 2. 3. 4. Système propulsion à deux roues motrice à propulsion ; Le contrôle assuré par le DSPACE implanté dans un PC Embarqué ; Commander à distance via un réseau sans fil de type WIFI ; Les roues motrices utilise un moteur à courant continu à aiment permanant (MCCAP) ; Pour conclure, nous pouvons dire que la conception et l'optimisation de la chaîne de traction d'un véhicule électrique est un problème pluridisciplinaire qui doit prendre en considération, au minimum, les batteries, la transmission mécanique et la motorisation électromagnétique à alimentation électronique. Enfin, la recherche d'un coût minimal vient s'ajouter aux difficultés scientifiques et technologiques. Pour les futures plates-formes elles doivent répondre à de nouvelles spécifications de mobilité, limitant considérablement leur poids et leurs dimensions afin de rendre le véhicule plus modulaire. Ces spécificités en modularité, compacité et flexibilité passent par une remise en cause profonde de l’architecture du véhicule. 69 Conclusion générale Conclusion générale La voiture électrique consomme de l'électricité, qui est produite par des centrales qui sont responsables d'émissions de gaz à effet de serre et de pollution. Mais si on recharge la voiture sur une source d’énergie propre on ne génère pas de CO2. Il faut donc développer l’électricité à base d’énergie propre même si les facteurs climats (vent, soleil….) sont aléatoires. Ce qui permettrait à l’avenir de ralentir la production d’énergie via les centrales nucléaires. Le travail abordé dans ce mémoire a pour objectif de réaliser un véhicule électrique en vue de commander par un DSPACE embarqué via un réseau sans fil. Nous avons essayé d’apporter, d’utilisé et d’employer les possibilités offertes par le domaine électronique et l’électronique de puissance afin de réaliser des circuits de puissance a base d’IGBT (cartes d’hacheurs) puissant et robuste pour la commande des moteurs électriques (moteurs à courants continus). À partir de là on a fixé un cahier de charge pour améliorer le comportement du moteur en boucle fermée, les régulateurs synthétisés on simulation ‘PI’ ont étaient implémentés expérimentalement sur carte de commande réalisée à base d’IGBT et d’une carte pour capturé le courant consommé par le moteur. Le présent travail est multidisciplinaire qui englobe les science électronique , électrotechnique , informatique et mécanique et qui me représente une excellence expérience, enrichissante, qui m’a permis de travailler en équipe, d’acquérir des notions poussées sur un sujet, que j’ai découvert et vraiment apprécié. Cette matière m’a appris à réfléchir sur un sujet de manière moins superficielle. m’a permis de travailler en équipe, d’acquérir des notions poussées sur un sujet, que j’ai découvert et vraiment apprécié. Cette matière m’a appris à réfléchir sur un sujet de manière moins superficielle. Grâce à ces recherches présentes dans ce mémoire, le véhicule électrique réalisé reste un petit pas vers l’intégration dans les parcs de véhicules urbains où il correspond de plus en plus aux besoins des utilisateurs et aux évolutions de la législation. 70 Conclusion générale Comme perspective pour les futures travaux de magister et de doctorat est d’intégrer la télémétré pour éviter les obstacles, les caméras pour la navigation, le différentiel de vitesse dans les virages et d’autres techniques modernes. 71 BIBLIOGRAPHIE Bibliographie [1]. S. TCHUNG-MING, S. VINOT, ″Les Energies pour le Transport : Avantages & Inconvénients″, Edition Panorama Centre de Recherche IFP, France, décembre 2008. [2]. 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