paper07 Habib

ACTA ELECTROTEHNICA
570
Etude Comparative de deux Stratégies de
Commande DTC Neuronale d’une MAS
Alimentée par Onduleur à Sept Niveaux
Benbouhenni Habib1, Taleb Rachid2, Chabni Fayçal2
1Département de Génie Électrique, Ecole Nationale Polytechnique d'Oran (ENPO), Oran, Algérie
2Département d'Electrotechnique, Université Hassiba Benbouali de Chlef (UHBC), Laboratoire LGEER, Chlef, Algérie
Résumé - Dans cet article, nous allons procéder à une comparaison des performances de deux stratégies de commande DTC de la
machine asynchrone de forte puissance (1MW) alimentée par onduleur NPC à sept niveaux .Les éléments théoriques et les
résultats de simulation sont présentés et discutés. Les ondulations du flux et du couple seront évaluées et comparées pour les deux
stratégies. Le but attendu est d’évaluer la stratégie qui donne la meilleure réponse dynamique.
Mots Clés – Moteur asynchrone, Commande Directe du Couple, Onduleur NPC à sept niveaux, Réseaux de Neurones
1. INTRODUCTION
Les associations onduleur de tension- machine à
courant alternatif constituent un enjeu essentiel dans le
milieu industriel, les stratégies de commande de ces
associations n'ont cessé de se développer au fil des
années. Parmi elles, après l'émergence vers les années
70 de la commande vectorielle, les techniques basées
sur la commande directe du couple ont suscité l'intérêt
de plusieurs équipes scientifiques et du secteur
industriel dès le milieu des années 80[1].
La stratégie de commande DTC (venu du terme
anglais " Direct Torque Control "), plus récente que la
commande vectorielle, a été inventée par I. Takahashi
au milieu des années 80[2]. Elle est basée sur la
régulation séparée du flux statorique et du couple en
utilisant deux contrôleurs d’hystérésis et une table de
commande pour générer de façon directe les ordres de
commande de l’onduleur de tension afin d’obtenir des
dynamiques de couple et de flux plus importantes. C’est
en effet une commande tout ou rien qui utilise
directement la tension continue de l’onduleur sans
l’intermédiaire d’un étage à modulation de larguer
d’impulsion (MLI) qui lui impose un vecteur tension en
valeur moyenne. Cela vient du fait que le système de
contrôle considère la tension moyenne sur une période
de la modulation de largeur d'impulsions (MLI) comme
la tension désirée [1].
Dans cette technique de commande, on n’a plus
besoin de la position du rotor pour choisir le vecteur
tension, cette particularité définit la DTC comme une
méthode bien adaptée pour le contrôle sans capteur
mécanique des machines à courant alternatif. La
génération directe des commandes de l’onduleur
nécessite une période d’échantillonnage très courte.
Ceci induit un algorithme de commande simple et/ou
un calculateur puissant. Le premier variateur de vitesse
utilisant cette technique a été commercialisé au milieu
des années 90 par la société ABB [1].
Pour montrer le principe de la commande directe
du couple d’une machine asynchrone alimentée par un
onduleur NPC de tension, on prend l’exemple d’un
onduleur NPC à sept niveaux, Par combinaison des
douze interrupteurs d'un même bras, on peut imposer à
la phase, sept niveaux de tension différents. Donc, le
nombre de vecteurs tension disponibles en sortie de
l'onduleur NPC à sept niveaux est supérieur au nombre
de vecteurs délivrés par un onduleur à deux niveaux.
L’application de la DTC apporte une solution très
intéressante aux problèmes de robustesse et de
dynamique. Cependant cette commande a quelques
inconvénients tels que : le non maîtrise de la fréquence
de commutation, taille et complexité des tables de
commutation et les forts ondulations du couple
électromagnétique et du flux statorique. Une solution à
ce problème consiste à associer à la DTC des
techniques de commande modernes basées sur la
commande par réseaux de neurones artificiels. Ce
structure ont l’avantage d’être robuste et minimisent
considérablement les ondulations du couple
électromagnétique et du flux statorique.
Cet Article à pour objectif d’étudier, comparer et
d’appliquer la technique de commande (DTC) à la
machine asynchrone alimentée par l’onduleur NPC à
sept niveaux. Au premier lieu nous présentons le
principe de la DTC appliqué au convertisseur de la
machine asynchrone. Dans une sconde partie, nous
passerons en revue le principe de la DTC neuronale.
Ensuite, des résultats de simulations du moteur
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Volume 57, Number 5, 2016
571
asynchrone commandé par DTC, et DTC Neuronale
(DTC-RNA)
2. MODELE DE LA MACHINE ASYNCHRONE
On admet que la machine est symétrique, que son
induction a une répartition sinusoïdale dans l’entrefer et
qu’elle n’est pas soumise à la saturation. dans le
référentiel d’axe lié au stator (α β) , la représentation
d’état de la machine asynchrone dans un repère lié au
stator [3].
=
+=
XCY
BUAXX
.
(1)
Avec:
]00[
,
][ vs
vsT
U
ss
Is IsT
X
βα
βαβα
=
ΦΦ
=
]
2
1
[;;
2
1; Lr
L
Trs
M
Ts Lr
Ls
M
K
Lr Ls
M
Rr
Lr
Tr+==−==
λ
s
s
=
=
−
−
−
−−
−
=
0
0
;
0
0
1
0
0
0
0
1
;
1
0
1
0
0
0
vs
vs
U
Ls
Ls
B
Tr
wr
Tr
M
wr
Tr Tr
MTr
K
wr
K
wr
KK
Tr
A
β
α
s
s
s
s
λ
s
s
λ
Le couple électromagnétique peut alors s’exprimer
comme suit:
[ ]
is
s
is
s
p
cem
α
β
β
α
Φ
−
Φ
=
(2)
3. ONDULEUR NPC À SEPT NIVEAUX
Fig. 1 Onduleur à sept niveaux à structure NPC
L’onduleur NPC à sept niveaux est représenté sur
la Fig.1. Le bus continu est composé de six capacités en
série (c1, c2, c3 , c4 ,c5 et c6,), formant un point milieu
noté (o) qui permet à l’onduleur d’accéder à un niveaux
de tension supplémentaire par rapport à l’onduleur
quatre niveaux .la tension totale du bus continu vaut E,
dans les conditions normales de fonctionnement , celle-
ci est uniformément repartie sur les six capacités qui
possèdent alors une tension E/6 à leurs bornes. Chacun
des trios bras (a, b et c) de l’onduleur est composé de
12 interrupteurs commandés (K1, K2,…,K12 pour le bras
a) et deux diodes de maintien connectés au point milieu
du bus continu.
La fonction de connexion (FKS) de chaque
interrupteur décrit son état fermé ou ouvert. Cette
fonction est définie comme suite:
=ouvertest
TDks
si 0
ferméest
TD ks
si 1
Fks
Nous définissons la fonction de connexion du
demi-bras Fbkm telle que:
k : numéro du bras (k=1,2,3)
=basdu bras-demi lepour : 0
hautdu bras-demi lepour : 1
m
La fonction Fbkm vaut «1» dans le cas où les
quatre interrupteurs du demi–bras sont tous fermés, et
nulle dans tous les autres cas.
Pour (vc1= vc2 = vc3 = vc4 = vc5 = vc6 = E/6), les
tensions simples sont exprimées par [4]:
6
30
3
314
2
313
31
3
312
2
311
20
3
214
2
213
21
3
212
2
211
10
3
114
2
113
11
3
112
2
111
2
1
1
1
2
1
1
1
2
3
1E
Fb FFFb FF
Fb FFFb FF
Fb FFFb FF
vc
vb
va
−−−++
−−−++
−−−++
−
−
−
−
−
−=
(3)
Le nombre de vecteurs tension pour un onduleur
NPC triphasé à sept niveaux est  = 73=343. Mais
dans ces 343 vecteurs il y a des vecteurs redondants,
c'est-à-dire similaires, parmi les 343 vecteurs on trouve
3*7*(7-1)+1=127 vecteurs différents. Ces 127 vecteurs
conduisent à quatre hexagones concentriques.
Dans la Fig.2, On distingue 127 positions
discrètes, distribuées sur six hexagones, en plus d'une
position au centre de l’hexagone. Certaines positions
sont crées par plusieurs états redondants. De l'hexagone
externe vers l'hexagone interne, les positions du vecteur
vs sont crées respectivement par un, deux, trois, quatre,
cinq ou six états redondants. La position du centre de
l'hexagone, qui correspond a une tension de sortie nulle,
est crée par six états redondants. Les 127 positions de
vecteur tension de sortie divise le diagramme vectoriel
en six secteurs triangulaires.
Fig.2 Représentation vectorielle des tensions de l’onduleur à cinq
niveaux.

ACTA ELECTROTEHNICA
572
La redondance des vecteurs tension n'est pas
montrée sur cette figure. L'augmentation du nombre de
vecteurs tension nous offre la possibilité d'avoir un
contrôle du flux et du couple plus précis que lorsque
l'on utilise un onduleur à deux niveaux.
On répartit les 127 vecteurs tensions et les
vecteurs tensions nulles en cinq groupes (Tableau 1)
Tableau 1 Répartition en six groupes des vecteurs de tension de sortie
de l’onduleur à sept niveaux
Vecteurs tensions
nulles (000) ;(111) ;(222) ;(333) ;(444) ;(555) ;(666)
Vecteurs tensions
du premier
hexagone (100) ;(110) ;(010) ;(011) ;(001) ;(101)
Vecteurs tensions
du deuxième
hexagone
(200);(210);(220) ;(120) ;(020) ;(021) ;(022) ;
(012) (002) ;(102) ;(202) ;(201)
Vecteurs tensions
du troisième
hexagone
(300) ;(310) ;(320) ;(330);(230) ;(130) ;(030);
(031)
(032) ;(033);(023) (013) ;(003) ;(103);(203);(
303) (302) ;(301)
Vecteurs tensions
du quatrième
hexagone
(400) ;(410) ;(420) ;(430);(440);(340) ;(240) ;
(140)
(040) ;(041) ;(042) ;(043)(044) ;(034) ;(024) ;
(014) (004);(104);(204);(304) ;(404) ;(403) ;(
402) ;(401)
Vecteurs tensions
du cinquième
hexagone
(505);(510);(520) ;(530) ;(540) ;(550) ;(450) ;
(350)
(250) ;(150)(050) ;(051) ;(052) ;(053) ;(054) ;
(055) (045);(035);(025) ;(005);(105) ;(205) ;(
305) ;(405) (505) ;(504) ;(503) ;(502) ;(501)
4. PRINCIPE DU COMMANDE DTC
Le principe est la régulation directe du couple de la
machine asynchrone par l’application des différents
vecteurs de tension de l’onduleur, qui détermine son
état. Les deux variables contrôlées sont le flux rotorique
et le couple électromagnétique qui sont commandées par
des régulateurs à hystérésis. Dans une commande DTC
il est préférable de travailler avec une fréquence de
calcul élevée afin de réduire les oscillations de couple
provoquées par les régulateurs [5]. Le convertisseur de
puissance utilisé dans le coté stator de la machine
asynchrone est un onduleur de tension classique à deux
niveaux (voir Fig.2) Ce dernier permet d’atteindre huit
positions distinctes dans le plan de phase, correspondant
aux huit séquences de tension de l’onduleur [6].
Fig. 3 Structure de base de la Commande Directe du Couple
Fig. 4 Différents vecteurs de tensions statoriques délivrées par un
onduleur de tension à deux niveaux.
AF : Augmenter le Flux DF : Diminuer le Flux.
AC : Augmenter le Couple DC : Diminuer le Couple
Le flux statorique et le couple électromagnétique
sont calculés à partir des équations suivantes [7, 8]:
Φ
+
Φ
=
Φ22 s
s
s
β
α
(4)
Avec:
dt
is
Rs
t
vs
s)
0(
α
α
α
−
∫
=
Φ
(5)
dt
is
Rs
t
vs
s)
0(
ββ
β
−
∫
=
Φ
(6)
L’ongle
θ
s et Cem est calcule à partire de:
)(Φ
Φ
=s
s
arctg
s
α
β
θ
(7)
[ ]
is
s
is
s
p
cem
α
β
β
α
Φ
−
Φ
=
(8)
Les valeurs estimés du couple et du flux statorique
sont comparés respectivement à leurs valeurs de
références Cem* et ɸs estimés; les résultats de la
comparaison forment les entrées des comparateurs à
cycle d’hystérésis. La sélection du vecteur tension
approprié est basée sur le table de commande (Tableau
2). Les entrées sont le numéro du secteur du flux et les
sorties des deux comparateurs à hystérésis.
Tableau 2 Table de vérité du onduleur à deux niveaux
N
1 2 3 4 5 6
Cflx
Ccpl
1
1
2
3
4
5
6
1
0
1
2
3
4
5
6
-1
6
1
2
3
4
5
0
1
3
4
5
6
1
2
0
4
5
6
1
2
3
-1
5
6
1
2
3
4

Volume 57, Number 5, 2016
573
Afin de réaliser le contrôle direct du flux et de
couple de la MAS alimentée par onduleur NPC de
tension à sept niveaux, on élabore deux tables des
commutations qui tiennent compte de tous les vecteurs
de tension disponibles en sortie de l’onduleur. La
construction des tables des commutations est basée sur
la table de l’onduleur deux niveaux(Tableau 1). Le
choix des vecteurs tensions statorique qu'on appliqué va
permettre d'augmenter ou de diminuer le module du
flux statorique et la valeur du couple
électromagnétique. Les tables des vérités et données par
les Tableaux 3 et 4.
Tableau 3 Table de vérité pour l’onduleur à sept niveaux (stratégie1)
Secteur
N
Cflx
1
0
Ccpl
1
0
-1
1
0
-1
1
27
4
111
48
67
90
2
28
4
112
49
67
91
3
33
9
117
54
72
96
4
37
14
121
58
77
100
5
40
14
124
61
77
103
6
42
8
126
63
81
105
7
48
25
6
69
88
111
8
49
25
7
70
93
112
9
54
30
12
75
98
117
10
58
35
16
79
98
121
11
61
35
19
82
102
124
12
63
39
21
84
109
126
13
69
46
27
90
109
6
14
70
46
28
91
114
7
15
75
51
33
96
119
12
16
79
56
37
100
119
16
17
82
56
40
103
123
19
18
84
60
42
105
4
21
19
90
67
48
111
4
27
20
91
67
49
112
9
28
21
96
72
54
117
14
33
22
100
77
58
121
14
37
23
103
77
61
124
18
40
24
105
81
63
126
25
42
25
111
88
69
6
25
48
26
112
88
70
7
30
49
27
117
93
75
12
35
54
28
121
98
79
16
35
58
29
124
98
82
19
35
61
30
126
102
84
21
39
63
31
6
109
90
27
46
69
32
7
109
91
28
46
70
33
12
114
96
33
51
75
34
16
119
100
37
56
79
35
19
119
103
40
56
82
36
21
123
105
42
60
84
Tableau 4 Table de vérité du onduleur à sept niveaux (stratégie 2)
N
1 2 3 4 5 6
Cflx
Ccpl
1
6
27
48
69
90
111
6
5
21
42
63
84
105
126
4
19
40
61
82
103
124
3
16
37
58
79
100
121
2
12
33
54
75
96
117
1
7
28
49
70
91
112
0
6
27
48
69
90
111
-1
126
21
42
63
84
105
-2
124
19
40
61
82
103
-3
121
16
37
58
79
100
-4
117
12
33
54
75
96
-5
112
7
28
49
70
91
-6
111
6
27
48
69
90
0
6
37
58
79
100
121
16
5
37
58
79
100
121
16
4
33
54
75
96
117
12
3
33
54
75
96
117
12
2
28
49
70
91
112
7
1
28
49
70
91
112
7
0
0
0
0
0
0
0
-1
100
121
16
37
58
79
-2
100
121
16
37
58
79
-3
96
117
12
33
54
75
-4
96
117
12
33
54
75
-5
91
112
7
28
49
70
-6
91
112
7
28
49
70
-1
6
48
69
90
111
6
27
5
47
68
89
110
5
26
4
46
67
88
109
4
25
3
45
66
87
108
3
24
2
5
26
47
68
89
110
1
68
89
110
5
26
47
0
26
47
68
89
110
5
-1
88
109
4
25
46
67
-2
89
110
5
26
47
68
-3
90
111
6
27
48
69
-4
84
105
126
21
42
63
-5
82
103
124
19
40
61
-6
79
100
121
16
37
58
5. COMMANDE DTC NEURONALE
Les réseaux de neurone artificiels (RNA) peuvent
être utilises pour concevoir des contrôleurs numériques
pouvant maintenir des performances dynamiques
élevées de la machine même avec le problème de
déréglage [6].
Il à été prouvé que les RNA sont des
approximateurs universels des systèmes dynamiques
non linéaires. Ils sont capables d’imiter le
comportement de n’importe quel système dynamique
non linéaire complexe en utilisant les réseaux de
neurones multicouche approprié [6].
La commande DTC classique présentent plusieurs
inconvénients, tel que l’obtention d’une fréquence de
commutation variable, les ondulations du couple et de
flux, les fluctuations des puissances et les harmonique
des courants dans le régime transitoire et permanent, à

ACTA ELECTROTEHNICA
574
cause de l’utilisation des comparateurs à hystérésis et
les tables de commutation. Pour cela, nous avons
proposé d’étudier dans ce partie la commande directe
du couple basée sur les réseaux de neurones artificiels,
pour améliorer les performances des commandes DTC,
où les comparateurs classiques et la table de
commutation sont remplacés par un contrôleur
neuronal, afin de bien conduire les grandeurs de sortie
de la MAS vers leurs valeurs de référence durant une
période de temps fixe. Des simulations numériques sont
présentées pour tester les performances des méthodes
proposées (DTC-RNA) [7].
La structure de la commande neuronale directe du
couple de la machine asynchrone alimenté par
onduleur NPC, est représentée par la fig.4.
Fig. 4 Commande directe du couple de la MAS basée sur les RNA
Le choix de l’architecture des réseaux de neurone
se fait selon l’erreur quadratique moyenne (EQM)
obtenue au court de l’apprentissage [7]. Nons avons
prendre une architecture de réseau de neurones
multicouches à structure : 3-64-3, c’est à dire un MLP
à 3 couches, une couche d’entrée contenant 3 neurones,
une seule couche cachée contenant 64 neurones et une
couche de sortie contenant 3 neurones aussi, utilisant
respectivement les fonctions d’activations : 'logsig',
'tansig' et 'purelin'.
Pour les toutes simulations du commande DTC
Neuronale, on prendre les propriétés suivante
(Tableau 5) :
Tableau 5 Propriété du LM pour DTC Neuronale
Paramètres du LM
valeurs
Nombre de couche cachée
64
Pas d’apprentissage
0.002
Pas d’affichage (affichage de l’erreur par
morceaux)
50
Nombre d’itération (epochs)
5000
Coef d’accélération de convergence (mc)
0.9
Erreur (goal)
0
Fonctions d’activation
logsig, Tansig,
Purelin
La figure suivante présentée la structure de réseaux
de neurones pour DTC neuronale à sept niveaux
(stratégie 1).
Fig. 5 Structure de réseaux de neurons
La mise à jour des poids et des Biais de ce réseau
est réalisés par un algorithme de retro-propagation
nommé l’algorithme de Levenberg-Marquardt (LM).
Pour illustrer le fonctionnement de la commande
et réaliser les etudes prospective, un modele de
simulation développée dans l’environnement fourni par
matlab/Simulink, une application développée dans
l’environnement fourni par matlab /Simulink.
Nous avons utilisés dans la commande les
paramètres de contrôle suivante: Cr = échelon variable
de 6500 à -6500N.m à l’instant t=0.8s, ∆ce =0.05N.m,
∆ɸs =0.001wb, la vitesse référence wref =1000tr/min,
une période d’echantionnage Te =50μs, ɸsref =3.6wb.
Paramètre de moteur asynchrone à forte puissance
sont: puissance nominale Pn = 1MW, Tension nominale
Vn = 791v, fréquence fs = 60Hz, Résistance statorique
Rs = 0.228Ω, résistance rotorique Rr = 0.332Ω,
inductance statorique Ls = 0.0084H, inductance
rotorique Lr = 0.0082H, inductance mutuelle Lm =
0.0078H, number de paire de pole p = 3, moment
d’inertie J = 20kg.m2, coefficient de frottement Kf =
0.008Nm.s.rad−1.
6. RÉSULTATS DE SIMULATION
Les résultats de simulation du DTC avec et sans
RNA de la MAS alimentée par un onduleur de tension à
deux et à cinq niveaux sont illustrés dans les figures 6,
7,8 et 9,10.