Telechargé par arbawimohammed

Commande Vectorielle D'une MAS via FPGA

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Implantation D’une Commande Vectorielle D’une
MAS Via Une Carte FPGA
PROJET D’EXPERTISE 2018/2019
Réalisé par :
Encadré par :
❖ ARBAOUI MOHAMED
❖ EL HASSARI AHMED YASSIR
M. LAGRIOUI Ahmed
Table des matières
LISTE DES FIGURES : ................................................................................................................................................... 3
Notations et symboles : ..................................................................................................................................................... 4
Chapitre 1 : ...................................................................................................................................................................... 5
II.1. Introduction ........................................................................................................................................................... 6
Principe de la commande vectorielle : .......................................................................................................................... 6
Objectif et principe de la commande vectorielle a flux orienté : .................................................................................. 7
II.4 Les critères pour lesquelles on passe de machine asynchrone à machine à courant continu : ............................... 9
II.5 Expression du couple électromagnétique : ........................................................................................................... 10
II.6 Les estimateurs pour la commande : .................................................................................................................... 10
II.7 le contrôle du flux et du couple : .......................................................................................................................... 11
II.8 le contrôle de la vitesse : ...................................................................................................................................... 12
Conclusion : .................................................................................................................................
Erreur ! Signet non défini.
Chapitre 3 :................................................................................................................................................................... 14
Simulation Sous Matlab /Simulink ............................................................................................................................. 14
Introduction :............................................................................................................................................................... 15
1.
Structure des principaux blocks de simulation : ................................................................................................. 15
2
.Les résultats de simulations : ............................................................................................................................. 18
Chapitre 3 : .................................................................................................................................................................... 20
Simulation de la commande DTC sous Matlab/Simulink. .............................................................................................. 20
1.2
Commande Directe de Couple ............................................................................................................................ 21
1.2.1 Avantages de la Commande DTC ........................................................................................................................... 21
Schéma globale sous Matlab/Simulink : ......................................................................................................................... 22
Les résultats de la simulation : ........................................................................................................................................ 22
CHAPITRE 4 : ................................................................................................................................................................ 24
Introduction à LabVIEW et Multisim .............................................................................................................................. 24
1.
Qu’est-ce que LabVIEW ? ................................................................................................................................. 25
2.
Qu’est-ce que MULTISIM ? .............................................................................................................................. 26
3.
La Co-simulation Labview Multisim : ................................................................................................................. 27
CHAPITRE : ...................................................................................................................................................................... 30
COMMANDE DTC D’un MOTEUR ASYNCHRONE via LABVIEW (carte FPGA sbrio-9607) ............................................. 30
Principe de la commande : ................................................................................................................................ 31
I.
II.
Le modèle « TEMPS-REEL » sur LabVIEW : ............................................................................................. 31
a)
Modèle générale : ........................................................................................................................................... 31
b)
Conditionneur de signale : ............................................................................................................................. 32
c)
Transformée de PARK..................................................................................................................................... 32
d)
Hystérésis : ...................................................................................................................................................... 32
1
e)
Estimateur du couple :.................................................................................................................................... 33
f)
Calculateur de Secteur.................................................................................................................................... 33
g)
Estimateur de flux .......................................................................................................................................... 34
h)
Table de commutation ................................................................................................................................... 34
III.
INTERLOCK Delay Time :.................................................................................................................................. 35
2
LISTE DES FIGURES :
Figure 1 ........................................................................................................................................................................... 15
Figure 2:le modèle de l'onduleur .................................................................................................................................... 15
Figure 3:SPVWM ............................................................................................................................................................. 16
Figure 4:block commande ............................................................................................................................................... 16
Figure 5 : Modèle MAS.................................................................................................................................................... 17
Figure 6: Modèle globale ................................................................................................................................................ 17
Figure 7: la vitesse de rotation........................................................................................................................................ 18
Figure 8: le courant Id ..................................................................................................................................................... 18
Figure 9: le courant Iq ..................................................................................................................................................... 19
Figure 10: exemple d'interface LabVIEW ........................................................................................................................ 25
Figure 11 : exemple face-avent et diagramme ............................................................................................................... 26
Figure 12: utilisation de Multisim ................................................................................................................................... 27
Figure 13:circuit analogique sur Multisim ...................................................................................................................... 27
Figure 14:placement des ports (terminaux) ................................................................................................................... 28
Figure 15: programme de commande du circuit analogique ......................................................................................... 28
Figure 16: curseur de commande et graphe de visualisation du circuit analogique ...................................................... 28
Figure 17: simulation sortie en fonction de l'entrée ...................................................................................................... 29
Figure 18: principe de la commande DTC ....................................................................................................................... 31
Figure 19:schéma explicatif de la commande DTC ......................................................................................................... 31
Figure 20: Programme DTC LabVIEW sur FPGA .............................................................................................................. 31
Figure 21: programme du conditionneur de signal ........................................................................................................ 32
Figure 22: programme transformée PARK des courants ................................................................................................ 32
Figure 23: programme d'hystérésis simple ..................................................................................................................... 33
Figure 24: programme hystérésis double ....................................................................................................................... 33
Figure 25: programme de calcule du couple .................................................................................................................. 33
Figure 26: Programme pour le calcul du secteur ............................................................................................................ 34
Figure 27: programme d'estimateur de flux (avec filtre passe bas) ............................................................................... 34
Figure 28: boucle de verrouillage (Interlock protection) ................................................................................................ 36
Figure 29: Programme de verrouillage IP ....................................................................................................................... 36
3
Notations et symboles :
fcém
: force contre électromotrice
FOC
: Commande Vectorielle à Flux Orienté
IRFOC : Commande Vectorielle Indirecte à Flux Rotorique Orienté MAS : Machine
Asynchrone
MCC : Machine a Courant Continue
PI
: régulateur proportionnel intégrale
[Lss]: matrice des inductances propres et mutuelles entre phases statoriques
[Lrr]: matrice des inductances propres et mutuelles entre phases rotoriques
[Lmsr]: matrice des inductances mutuelles entre phases statoriques et rotoriques
lms
: inductance mutuelle entre enroulements statoriques
lmr
: inductance mutuelle entre enroulements rotoriques
lm: maximum de l'inductance mutuelle entre phase statorique et rotorique Ls: Inductance
cyclique statorique
Lr: Inductance cyclique rotorique.
Lm : Inductance mutuelle cyclique entre stator et rotor ωS, ω:
pulsations statorique, rotorique
Ω
: la vitesse mécanique ( Ω =p ω )
θs, θr : angles électriques statorique, rotorique .
dq
: axes correspondants au référentiel lié au champ tournant .
xd, xq : composantes des vecteurs dans le repère dq .
αβ
: axes correspondant au référentiel lié au stator.
xref : valeur et grandeur de référence.
ψ
: flux total
v
: tension.
i
: courant.
Rs, Rr
: résistances d’enroulements statorique et rotorique par phase .
Ce : couple électromagnétique.
f
: coefficient de frottement visqueux.
J : moment d’inertie.
p : nombre de paires de pôles Kp, Ki :
gains des régulateurs PI .
S :opérateur de laplace .
t : temps.
Tr: constate de temps rotorique.
Ts: constate de temps statorique.
σ
: coefficient de dispersion de Blondel
4
Chapitre 1 :
Commande vectorielle du MAS a flux
rotorique orienté.
5
I.
Introduction
De multiples applications industrielles qui sollicitent un contrôle délicat du couple, vitesse et/ou
position, où la commande scalaire avec ses performances modeste ne peut satisfaire.
La commande de la machine asynchrone requiert le contrôle du couple, et du flux. Cependant,
la formule du couple électromagnétique est complexe, elle ne ressemble pas à celle d'une machine à
courant continu où le découplage naturel entre le réglage du flux et celui du couple rend sa commande
aisée. C'est pourquoi, la commande vectorielle n'a été introduite qu'au début des années 70, grâce
aux avancées technologiques de l'électronique de puissance et de traitement du signal, car elle
nécessite des calculs de la transformée de Park, évaluation de fonction trigonométrique, des
intégrations, des régulations, ce qui demande une technologie assez puissante.
Dans ce qui suit on va développer en premier lieu l'étude théorique de la commande vectorielle
à flux rotorique orienté dans le but de l'implémenter sous Simulink.
II.
Principe de la commande vectorielle :
Le principe dont repose la FOC est que le couple et le flux de la machine sont commandés
séparément en similitude avec la MCC à excitation séparée, où les courants statoriques sont
transformés dans un référentiel tournant aligné avec le vecteur de flux rotorique, statorique ou celui
de l'entrefer, pour produire des composantes selon l'axe d (control du flux) et selon l'axe q (control
du couple).
La commande FOC est initialement proposée en Allemagne dans la fin des années 60 et début des
années 70 par deux méthodes distinctes, l'une qui, en imposant une vitesse de glissement tirée de
l'équation dynamique du flux
rotorique afin d'assurer l'orientation du flux (Hasse) connu par IRFOC, et l'autre qui utilise
l'estimation ou la mesure du flux pour obtenir l'amplitude et l'angle indispensable pour l'orientation
du flux (Blaschke) connu par DFOC.
La technique IRFOC a été généralement préférée à la DFOC car elle a une configuration
relativement simple comparée à la DFOC qui demande des estimateurs, ou des sondes à effet Hall
pour la mesure du flux qui sont contrains aux conditions de travail excessives (température,
vibration…etc.), et encore que la mesure soit entachée de bruits dépendant de la vitesse de rotation.
Mais sans omettre que la IRFOC dépend des paramètres de la machine et notamment la constante
de temps rotorique Tr et surtout la résistance rotorique Rr.
Ces deux méthodes citées s'appuient sur l'orientation du flux rotorique (en fait c'est le repère dq
6
qui est orienté), d'autres techniques ont été introduites telle que l'orientation du flux statorique SFOC
avec les deux formes directe et indirecte, et l'orientation du flux d'entrefer, mais leurs performances
sont moindres par rapport aux premières, d’autant qu’elles exigent des algorithmes plus compliqués
et surtout la compensation au découplage qui est très sensible aux erreurs.
III.
Objectif et principe de la commande vectorielle a flux orienté :
L’objectif de la commande vectorielle est de rendre la machine asynchrone capable de répondre
efficacement à des variations de consignes (position du rotor, couple, vitesse) dans une large gamme
de points de fonctionnement et ce pour des applications nécessitant des performances dynamiques
élevées.
Ce type de commande repose sur le contrôle instantané du couple et son principe consiste à rendre le
fonctionnement de la machine asynchrone analogue à celui de la machine à courant continu à
excitation indépendante où il existe un découplage naturel entre les contrôles du flux et du couple. En
effet, dans une telle machine, le courant d’excitation permet de régler le flux inducteur dans l’axe
polaire, tandis que le courant d’armature est utilisé pour contrôler le couple dans l’axe neutre
(perpendiculaire à l’axe polaire).
Un choix adéquat du repère (dq) de Park, choisi de façon à ce que l’axe d soit aligné avec la direction
du vecteur flux rotorique, permet de réaliser un tel découplage. Nous parlons alors de contrôle vectoriel
à flux rotorique orienté.
C'est-à-dire , de ce type de contrôle est d’aboutir à un modèle simple de la machine asynchrone qui
rendre compte de la commande séparée de la grandeur courant I, générateur de couple.
Il s’agira donc de retrouver la quadrature entre I et Ø, naturellement découplés pour une machine à
courant continu (courant d’excitation-producteur de flux, et courant d’induit-producteur de couple).
La difficulté va résider justement dans le fait que, pour une machine à induction, il est difficile de
distinguer le courant producteur de couple du courant producteur de flux, fortement couplés.
La méthode du flux orienté consiste à choisir un système d’axe (d,q) repère tournant biphase orienté
sur Ør (flux rotorique) ou Øs (flux statorique) et un type de commande qui permettent de découpler
le couple et le flux .
7
Figure ІI.1: illustration de l’orientation du flux rotorique
Le modèle de la machine asynchrone est décrit par :
V̅s=Rs i͞s +
𝑑𝛷̅𝑠
𝑑𝑡
𝑑𝛷̅𝑟
0=Rr i͞r +
𝑑𝑡
+jwsΦ̅s 2 .1
+jwrΦ̅r
2.2
avec X=͞ Xd+jXq (X͞ represente le flux,le courant et les tensions)
Φ̅s=Ls i͞s +M i͞r
͞ir =
Φ̅r=Lr i͞r +M i͞s
𝑀𝛷̅𝑟
Φ̅s=Ls i͞s+
𝐿𝑟
-
𝑀2
𝐿𝑟
𝑀
Φ̅s= Ls σ i͞s+ Φ̅r
i͞s=Ls (1-
𝑀2
𝐿𝑟𝐿𝑠
𝑀
)i͞s+ Φ̅r
𝐿𝑟
𝐿𝑟
8
𝛷̅𝑟
𝐿𝑟
−
𝑀 𝑖𝑠
𝐿𝑟
2.3
𝑀2
σ =1-
𝐿𝑟𝐿𝑠
c’est le coefficient de dispersion de Blondel. Ce dernier donne une estimation globale des
inductances de fuites dans la machine.
En remplaçant l’expression du flux statorique ainsi que l’expression du courant ir(2.3) dans les équations
2.1 et 2.2 nous obtenons :
𝑑
𝑀
̅ r)+jws(Ls σ i͞s+ 𝑀 Φ̅r)
V̅ s=Rs i͞s + 𝑑𝑡 (Ls σ i͞s + 𝐿𝑟 Φ
𝐿𝑟
𝛷̅𝑟
𝑀 𝑖𝑠
0=Rr ( 𝐿𝑟 −
𝐿𝑟
𝑑i͞s
V̅ s=Rs i͞s + Ls σ
Rr𝛷̅𝑟
0=
𝐿𝑟
)+
𝑑𝑡
Rr𝑀
−
𝑑𝛷̅𝑟
𝑑𝑡
̅r
𝑀 𝑑Φ
+ 𝐿𝑟
𝑖𝑠 +
𝐿𝑟
+jwrΦ̅r
𝑀
+jwsLs σ i͞s+jws 𝐿𝑟 Φ̅r
𝑑𝑡
𝑑𝛷̅𝑟
𝑑𝑡
+jwrΦ̅r 2.4
On décompose l’équation en partie réelle et imaginaire on aura : (2.5)
𝑑isd
Vsd=Rs isd + Ls σ
𝑑𝑡
𝑑isq
Vsq=Rs isq + Ls σ
0=
Rr
𝐿𝑟
0=
Φrd −
Rr
𝐿𝑟
Rr𝑀
𝐿𝑟
Φrq −
Vsd=(Rs+
𝑅𝑟𝑀2
𝐿𝑟 2
0=
0=
IV.
𝐿𝑟 2
𝐿𝑟
Φrd −
𝐿𝑟
𝐿𝑟
isq +
Φrq −
Rr𝑀
𝐿𝑟
Rr𝑀
𝐿𝑟
𝑑𝑡
𝑑Φrd
𝑑𝑡
isd +
isq +
𝑀
-wsLs σ isq−ws 𝐿𝑟 Φrq
𝑀
+wsLs σ isd+ws 𝐿𝑟 Φrd
-wr Φrq
𝑑Φrq
) isq + Ls σ
Rr
Rr
𝑀 𝑑Φrq
isd +
Rr𝑀
𝑑𝑡
+ 𝐿𝑟
) isd + Ls σ
𝑅𝑟𝑀2
Vsq=(Rs+
𝑑𝑡
𝑀 𝑑Φrd
+ 𝐿𝑟
𝑑𝑡
𝑑isd
𝑑𝑡
+wr Φrd𝐿𝑟 2
𝑑isq
𝑑𝑡
𝑑Φrd
𝑑𝑡
𝑅𝑟 𝑀
𝑀
𝑅𝑟 𝑀
-wsLs σ isd+ws 𝐿𝑟 Φrd- 𝐿𝑟 2 Φrq
- (ws-w)Φrq
𝑑Φrq
𝑑𝑡
𝑀
-wsLs σ isq−ws 𝐿𝑟 Φrq- 𝐿𝑟 2 Φrd
+(ws-w) Φrd
Les critères pour lesquelles on passe de machine asynchrone à machine à
courant continu :
Premier critère : Φrq = 0
Ceci implique que le couple de la machine asynchrone est constant comme le cas de la
machine à courant continu
9
Deuxième critère :
Le flux rotorique doit être proportionnelle à isd (nous allons montrer cette relation dans ce qui suit )
Troisième critère :
Φrd Doit être maintenu constant Φr = Φrd
V.
Expression du couple électromagnétique :
𝑀
Ce=p𝐿𝑟 (Φrd isq− Φrq isd)
Φrq=0
et
𝑀
Φr= Φrd
Ce=p𝐿𝑟Φr isq
D’après le 1.2 et le 1.3 on a :
0=Rr idr +
𝑀2
𝑑𝛷̅𝑑𝑟
Ce=p 𝐿𝑟 isd isq
𝑑𝑡
Ce= K2isd isq
Φr=M isd
Avec
K2 =
𝑃𝑀2
𝐿𝑟
La présente expression est analogue à celle du couple d’une machine à courant continu.
La figure (ІI.2) illustre l’équivalence entre l’expression du couple que l’on réalise avec la
commande découplée classique d’une machine à courant continu et la commande vectorielle
d’une machine asynchrone
Figure ІI.2 : analogue de la machine asynchrone avec le moteur à courant continu
VI.
II.6 Les estimateurs pour la commande :
Le système d’équation 2.4 permet d’estimer le flux rotorique :
Rr𝛷̅𝑟
𝐿𝑟
−
−
Rr𝑀
𝐿𝑟
Rr𝑀
𝐿𝑟
𝑖𝑠 +
𝑑𝛷̅𝑟
𝑑𝑡
+jwrΦ̅r =0
Rr
𝑖𝑠 + (𝐿𝑟 +jwr +S) Φ̅r =0 , Φ̅r= Φrd
On prend la partie réelle :
10
−
Rr𝑀
𝐿𝑟
Φrdest=
Rr
𝑖𝑠𝑑 + (𝐿𝑟 +S) Φrd =0
𝑅𝑟𝑀
𝐿𝑟
𝑅𝑟
𝑆+
𝐿𝑟
𝑀
Φrdest=1+𝑇𝑟 𝑆 𝑖𝑠𝑑
1
iΦ=
1+𝑇𝑟 𝑆
𝛷̅𝑟
2.6
𝑖𝑠𝑑
Avec iΦ= 𝑀
iΦ : image du flux ou courant magnétisant
𝑡
𝑖𝑠𝑞
𝜃𝑠 = ∫0 𝑊𝑠 𝑑𝑡 𝑊𝑠 = 𝑃Ω + 𝑇𝑟 iΦest
Ws=W+Wr
Ws=P Ω+Wr
Démonstration :
D’après le système d’équation 2.4 on a :
Rr𝛷̅𝑟
𝐿𝑟
−
Rr𝑀
𝐿𝑟
𝑖𝑠 +
𝑑𝛷̅𝑟
𝑑𝑡
+jwrΦ̅r =0
On prend la partie imaginaire:
−
Rr𝑀
𝐿𝑟
𝑊𝑟 =
𝑖𝑠𝑞 + wrΦrd =0
𝑀 𝑖𝑠𝑞
𝑇𝑟 Φrdest
L’équation n’est pas exploitable telle quelle puisque Φrest est nulle au démarrage du moteur . Solution :
𝑀 𝑖𝑠𝑞
𝑊𝑠 = 𝑃Ω + 𝑇𝑟 Φrest+ε
Avec 𝜀 = 0,01
VII. le contrôle du flux et du couple :
Le (2 .5) donne :
Vsd=Rs isd + Ls σ
Vsq=Rs isq + Ls σ
𝑑isd
𝑑𝑡
𝑑isq
𝑑𝑡
+ Ls(1 − σ)
𝑑iΦ
𝑑𝑡
−wsLs σ isq
+ Ls(1 − σ)ws iΦ +wsLs σ isd+ws
𝑀
𝐿𝑟
Φrd
Et,en introduisant l’expression 2 .6 qui explicite le courant magnétisant iΦ en fonction de isd on obtient
𝑅𝑠(1 + (𝑇𝑠 + 𝑇𝑟)𝑆 + σTsTr𝑆 2 )iΦ=Vsd+ed
𝑅𝑠(1 + σTsS)𝑖𝑠𝑞 = 𝑣𝑠𝑞 + 𝑒𝑞
avec 𝑇𝑠
2.7
2.8
𝐿𝑠
= 𝑅𝑠 la constante de temps statorique .
sous cette forme la partie électrique apparait comme deux processus monovariables couplés par les
grandeurs de perturbation ed et eq telles que
11
𝑒𝑑 = σ ws Ls isq
𝑒𝑞 = −𝐿𝑠𝑤𝑠(1 + σTrS) iΦ = −𝐿𝑠𝑤𝑠 (
1 + σTrS
) 𝑖𝑠𝑑
1 + 𝑇𝑟𝑆
les tensions vsd et vsq permettent respectivement le réglage du flux et du couple mais il existe entre les deux
processus un couplage non linéaire du a la presence du terme Ws dans les expressions ci-dessus.
Les expression 2.7 et 2.8 nous permet d’écrire les fonctions du transfert des deux correcteurs :
FΦ=
Fq=
iΦ
𝑣𝑠𝑑+𝑒𝑑
iΦsq
1
= 𝑅𝑠(1+(𝑇𝑠+𝑇𝑟)𝑆+σTsTr𝑆2 )
1
= 𝑅𝑠(1+σTsS)
𝑣𝑠𝑞+𝑒𝑞
la figure 2.3 représente alors le shéma fonctionnel du contrôle qui.a priopri peut etre envisagé deux
stratégies selon les perturbation non linéaires (ed et eq) sont compensé ou non.La compensation a pour effet
de découpler les deux processus grace a une reconstituon en temps réel de ces perturbation réciproques
.Dans telles conditions le systéme devient linéaire et avec les notation de la figure il vient :
iΦ = FΦ[𝑈𝑠𝑑 − 𝑒𝑑 ′ + 𝑒𝑑]
isq = Fq[𝑈𝑠𝑞 − 𝑒𝑞 ′ + 𝑒𝑞]
Figure ІI.3 : schéma fonctionnel du contrôle du couple
VIII. le contrôle de la vitesse :
Le schéma de régulation de la vitesse avec un régulateur PI est le suivant :
12
Fig ІI.4Boucle de régulation de vitesse à structure PI
𝐾𝑒 =
𝑝𝑀
𝐿𝑟
Φrest : constante du couple électromagnétique.
Avec cette structure de régulation (PI) de vitesse, on n’a pas pu avoir de bonnes performances à
la fois pour l’asservissement (réponse par rapport à la consigne) et pour la régulation (réponse
par rapport à la perturbation).
Alors, on est amené à utiliser la structure de régulation de vitesse IP, tel que schématisée sur la
fig (II .5).
Fig ІI.5 Boucle de régulation de vitesse structure IP
Conclusion :
Dans ce travail, une étude numérique de la commande par la stratégie d’orientation de flux
rotorique d’un moteur asynchrone alimenté en courant est présentée.
Le choix convenable du modèle d’action associé au choix du référentiel est l'étape primordiale
dans cette étude.
La commande par orientation de flux est un outil de contrôle fort intéressent au fonctionnement
réel et pratique de la machine asynchrone dans ses applications industrielles. Cette technique de
commande est devenue faisable sur ce type de machines grâce à la possibilité de découplage de flux
du couple, de façon, presque analogue, à celle appliquée sur la machine à courant continu. Cette
faisabilité lui permettra d'être, grâce à ses qualités technico-économiques très attrayantes, un substitut,
sans aucun doute, à la machine à courant continu.
Dans ce type de commande la qualité, des performances, en régime statique ou dynamique est
assurée.
13
Chapitre 2 :
Simulation Sous Matlab /Simulink
14
Introduction :
La simulation de ce travail est faite sur le logiciel MATLAB/Simulink qui est destiné principalement au calcul
scientifique, de la modélisation et de la simulation.
Après avoir déterminé les modèles mathématiques et les équations nécessaire pour la modélisation de la
machine ainsi la commande a flux Rotorique orienté dans les chapitres précédents, nous avons implanté les
équations dans MATLAB/SIMLINK pour pouvoir visualiser les différentes essaies ainsi les résultats de la
commande.
L’objective de ce chapitre et de vous monter les blocks de simulations et les résultats des différentes essaies.
1. Structure des principaux blocks de simulation :
Block onduleur :
Figure 1
Figure 2:le modèle de l'onduleur
15
Figure 3:SPVWM
Figure 4:block commande
16
Figure 5 : Modèle MAS
Figure 6: Modèle globale
17
2 .Les résultats de simulations :
Figure 7: la vitesse de rotation
Figure 8: le courant Id
18
Figure 9: le courant Iq
19
Chapitre 3 :
Simulation de la commande DTC sous
Matlab/Simulink.
20
1.2 Commande Directe de Couple
La Commande DTC a été proposée par Takahashi [TakI89] au milieu des années 80. Comparée à
la commande vectorielle, la commande DTC est moins sensible aux variations paramétriques de la
machine et permet d’obtenir une dynamique précise et rapide du couple. Le principe de cette
commande est de contrôler directement le couple et le flux statorique de la machine. Dans ce cadre,
deux comparateurs à hystérésis sont utilisés et qui permettent de comparer les valeurs estimées avec
celles de références, ensuite on commande directement les états de l'onduleur à travers une table de
sélection prédéfinie. La stratégie de la Commande DTC de la machine asynchrone est illustrée par
la figure suivante.
Les principaux éléments constitutifs de la structure de commande DTC avec asservissement de vitesse
sont les suivants :
- Deux estimateurs du couple et du flux statorique basés sur le modèle lié au stator,
- Une table de sélection du vecteur tension désiré du stator, établie en concordance avec les erreurs du
flux et du couple engendrées,
- Deux comparateurs à hystérésis l'un à deux niveaux destiné pour le contrôle du flux, l'autre à trois
niveaux consacré au contrôle du couple électromagnétique,
- Un régulateur de vitesse.
1.2.1 Avantages de la Commande DTC
Parmi les avantages de la Commande DTC on peut citer :
- Une excellente dynamique du couple,
- Une bonne robustesse vis-à-vis des variations des paramètres du rotor de la machine,
- Absence d'utilisation des transformations de Park et de son inverse,
- Absence des blocs de calculs de la modulation de tension MLI,
- Absence de découplage des courants par rapport aux tensions de commande,
- Absence de nécessité de connaître l’angle de position rotorique.
21
Seul le secteur dans lequel se trouve le flux statorique est nécessaire,
- Absence de nécessité d’utiliser un capteur de vitesse pour l'implémenter.
1.2.2 Inconvénients de la Commande Directe de Couple :
Les inconvénients de la Commande DTC peuvent être résumés par les points suivants :
- L’existence des ondulations souvent importantes de couple et de flux, - La fréquence de
commutation n’est pas contrôlée,
- La nécessité d'utiliser des estimateurs de flux statorique et de couple,
- Un fonctionnement mal contrôlé à basse vitesse,
- Les courants statoriques sont mal contrôlés en régimes transitoires
Schéma globale sous Matlab/Simulink :
Les résultats de la simulation :
22
La trajectoire de l’extrémité du flux statorique prend une forme presque circulaire d’un rayon égale à
0.91 Wb... La figure 2 illustre l’évolution temporelle de la vitesse de rotation. La montée en vitesse est
quasi linéaire au début du démarrage, la vitesse atteinte est proche de 80 rd/s.
23
CHAPITRE 4 :
Introduction à LabVIEW et Multisim
24
1. Qu’est-ce que LabVIEW ?
LabVIEW est un environnement de développement intégré spécifiquement conçu pour les ingénieurs et les
scientifiques
Le langage de programmation graphique, le G, est natif à LabVIEW.
Il utilise un modèle de flux de données au lieu de lignes séquentielles de code textuel, ce qui permet d'écrire
le code fonctionnel en suivant des informations visuelles.
LabVIEW inclut des drivers pour tous les matériels NI (National Instrument),
mais c'est aussi un standard du marché et la plupart des instruments connectés
par port série, USB, parallèle, GPIB, carte E/S…,
disposent de drivers LabVIEW.
Dans le laboratoire d'électricité :
- le GBF Agilent (USB),
- le multimètre FI2960 MT (USB),
- les oscilloscopes Tektronix (USB et RS232),
- les alimentations Agilent (port série - RS232),
- la carte NI6008 (USB),
- les Arduinos (USB),
pourront être pilotés par LABVIEW.
Un programme LABVIEW est appelé « instrument virtuel » (VI).
LABVIEW permet de réaliser des interfaces graphiques personnalisées et conviviales,
et ainsi de créer un instrument virtuel spécifique aux besoins.
Figure 10: exemple d'interface LabVIEW
Un programme LabVIEW comporte 2 éléments principaux :
•
Une face-avant (front panel) : l'Interface Homme Machine
•
Un diagramme (Diagram panel) : le programme en langage G.
o Observer le fonctionnement en flux de données...
25
Figure 11 : exemple face-avent et diagramme
La programmation graphique.
Bien que ce langage soit totalement graphique, on retrouve sous LabVIEW toutes les structures classiques des
langages de programmation textuel (C, Basic….)
boucle « tant que »
Séquençage (qui permet l’exécution séquentielle de sous-VI)
Aiguillage IF, CASE…
boucle « pour »
Les types de données
Les réels ( float). DBL (double, codé sur 2*32 = 64 bits)
Les entiers ( int ). I32 : entier sur 32 bits
Les entiers non signés (unsigned int ). U8 : entier non signé sur 8 bits (de 0 à 255)
2. Qu’est-ce que MULTISIM ?
Le logiciel « Multisim » intègre une simulation SPICE aux normes de l'industrie avec un environnement
schématique interactif pour visualiser et analyser instantanément le comportement des circuits électroniques.
Son interface intuitive aide les enseignants à renforcer la théorie des circuits et à améliorer la rétention de la
théorie tout au long du programme d'ingénierie.
En ajoutant de puissantes simulations et analyses de circuits au flux de conception, « Multisim » aide les
chercheurs et les concepteurs à réduire les itérations des prototypes de cartes de circuits imprimés (PCB) et à
réduire les coûts de développement.
26
Figure 12: utilisation de Multisim
3. La Co-simulation Labview Multisim :
a) Exemple:
Soit le schéma suivant tracer sur Multisim:
Figure 13:circuit analogique sur Multisim
On place les ports de communication entrer LabVIEW et Multisim sur les branches d’envoie et de réception des
donnée désirées.
27
Figure 14:placement des ports (terminaux)
❖ sur « Diagram panel » de LabVIEW on fait programme suivant :
Figure 15: programme de commande du circuit analogique
❖ Sur « front panel » de LabVIEW on place les éléments de commande et de visualisation suivants :
Figure 16: curseur de commande et graphe de visualisation du circuit analogique
❖ On lance la simulation et on translate le curseur pour des différents tensions d’entrées et on visualise la sortie :
28
Figure 17: simulation sortie en fonction de l'entrée
29
CHAPITRE :
COMMANDE DTC D’un MOTEUR ASYNCHRONE via LABVIEW
(carte FPGA sbrio-9607)
30
I.
Principe de la commande :
La commande DTC comme déjà expliquée auparavant va suivre ce principe ci-dessous :
Figure 18: principe de la commande DTC
Remarque : Le Programme généré par la suite est basé sur ce schéma explicatif.
Figure 19:schéma explicatif de la commande DTC
II.
Le modèle « TEMPS-REEL » sur LabVIEW :
a) Modèle générale :
Figure 20: Programme DTC LabVIEW sur FPGA
31
b) Conditionneur de signale :
Conditionneur de signal : il sert à compenser les courants captés indésirables les
mettre à l'échelle.
Figure 21: programme du conditionneur de signal
c) Transformée de PARK
Transformée de Park des Tensions
Transformée de Park des courants
Figure 22: programme transformée PARK des courants
d) Hystérésis :
Limiteur simple bande à hystérésis (flux)
Limiteur double bande à hystérésis (couple)
32
Figure 23: programme d'hystérésis simple
Figure 24: programme hystérésis double
e) Estimateur du couple :
Ce bloc calcule le couple basé sur le flux calculé et le courant acquis
Figure 25: programme de calcule du couple
f) Calculateur de Secteur
Ce bloc calcule le secteur où le vecteur flux est basé.
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Figure 26: Programme pour le calcul du secteur
g) Estimateur de flux
Ce bloque permet estime le flux selon les deux équations :
Le signale a la sortie de ce bloque est filtré ; deux filtres passe bas (low pass filtre : LPF) ; afin d’obtenir deux signaux
flux « q » et « d » exploitables.
Figure 27: programme d'estimateur de flux (avec filtre passe bas)
h) Table de commutation
Ce bloque comporte la table de commutation des interrupteurs (S1, S2, S3) qui se détermine a l’aide des
états de flux et de couple a la sortie des deux limiteur à hystérésis ainsi que le secteur dont le vecteur
flux réside (Vref=V0, V1, V2, …, V7).
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Le programme pour réaliser cette table est le suivant :
Cas de Secteur « S0 » : Va=Vb=Vc=0V
Cas de secteur « S1 » : Va=Vb=-Vdc, Vc=Vdc
III.
INTERLOCK Delay Time :
On peut injecter les signaux S1 S2 S3, généré par le programme en dessus, pour commander les
interrupteurs de l’onduleur. Cependant on constate le problème de temps mort entre la commutation
de deux interrupteurs de même branche de l’onduleur (Interlock Delay time).
Pour cela on introduit une autre « boucle While » pour la résolution de ce problème.
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Figure 28: boucle de verrouillage (Interlock protection)
Sur la figure ci-dessus, on a introduit un bloc intermédiaire IP « Interlock-Protection) qui permet l’empêchement des
états provoquants l’endommagement des électroniques de puissance (court-circuit).
Une temporisation de 1µs est imposée comme durée de ce module, (temps mort).
Figure 29: Programme de verrouillage IP
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Conclusion Générale :
Dans ce rapport de projet, nous avons présenté deux méthodes de commande vectorielles pour la
commande d’un moteur asynchrone.
Nous avons commencé par une introduction au principe des deux commandes FOC et DTC, leurs avantages
et inconvénients et les différents équation mathématiques intervenant.
Puis nous avons simuler leur comportement sur Simulink/MATLAB en modélisant les différents blocs
d’après les équations mathématiques correspondantes.
Finalement, on a essayé de programmer la commande DTC a l’aide du logiciel LabVIEW qui permettra
après l’implantation de cette commande sur une carte FPGA (sbrio 9607).
Ce Projet nous a permet tout d’abord d’approfondir nos connaissances a propos de ce large champs, ainsi
on a pu voir d’autre extensions à savoir les lacunes de ces commandes (échauffement des interrupteurs,
les temps morts…) qui nécessitera une amélioration de la commande afin d’avoir une bon efficacité
énergétique.
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BIBLIOGRAPHIE :
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❖ J-Pierre, J-Paul Hautier, J-Faucher, "Modélisation et Commande de la Machine
Asynchrone,". Electrotechnique, France, Octobre1995.
❖ Carlos Canudasde wit, "Commande des Moteur Asynchrones. Volume1, Modélisation
Contrôle Vectoriel et DTC,". Paris, Hermès Science publications, 2000.
❖ Gabriel Buche, "Commande Vectorielle de Machine Asynchrone en Environnement
Temps Réel Matlab/Simulink,". Mémoire d'ingénieur, C.N.A.M, Grenoble,7 Mars
2001.
❖ M.Pinard, « Commande Electronique des Moteurs Electriques », 2e édition. L’usine
nouvelle, DUNOD
❖ Y. Zhenyu, « Space Vector PWM With TMS320c24x/F24x Using Hard-Ware and
Software Determined Switching Patterns», Digital Signal Processing Solutions, Texas
Instruments, 1999.
❖ Yang Geng; Huang Lipei; Xu Dehong; Zhou Honglin, "States on education of power
electronics and electrical drive in China's university," Power Electronics Conference
(IPEC), 2010 International , vol., no., pp.1101,1104, 21-24 June 2010
❖ *Luis Ibarra , *Pedro Ponce, *Arturo Molina and **Brian MacCleery *Tecnológico
Monterrey, Campus Ciudad de México, **National Instruments US Austin Texas
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