UNIVERSITE CADI AYYAD ECOLE NATIONALE DES SCIENCES APPLIQUEE DE MARRAKECH POLYCOPIE DES TP MODULE : GE32 : ALIMENTATION ET COMMA COMMANDE DES MOTEURS DC DESTINES AUX ETUDIANTS : DE LA 2EME ANNEE CYCLE INGENIEUR EN SYSTEMES ELECTRONIQUES EMBARQUES ET COMMANDE COMMAND DES SYSTEMS RESPONSABLE : PR. ZAKARIA BOULGHASOUL EDITION : 2022/2023 GE32 : Alimentation et commande des moteurs DC TP N° 1 : COMMANDE D’UN HACHEUR ALIMENTANT UNE CHARGE RLE OBJECTIFS DU TP : 1. Maitriser la bibliothèque Simpower System de l'environnement Matlab/Simulink pour l'analyse et la conception des montages de l'électronique de puissance 2. Apprendre à mettre en œuvre les techniques de pilotage et de contrôle des convertisseurs DC/DC réversibles. 1. MONTAGES ET MANIPULATIONS 1.1. MONTAGE HACHEUR SERIE Réaliser le montage donné sur la figure 1 en considérant les éléments du circuit suivants : Source de tension continue Vdc=50V. Récepteur de type RLE avec R=10 et L=100mH. E=0V puis 8V. Les différents interrupteurs sont commandés initialement à une fréquence de commande f=500Hz. Les montages sont réalisés en utilisant les composants IGBTs de la bibliothèque Simpower systems. La commande utilisée pour ce premier montage est la suivante : - de 0 à T/2 : l'IGBT est passant. - de T/2 à T : l'IGBT est bloqué. Figure 1 : Montage hacheur série Pour réaliser le montage dans l'environnement Simulink, suivre les étapes décrites ci-dessous : Menu Simpower Systems > Power electronics> IGBT , Diode Electrical Sources > DC voltage source Elements > Serie RLC branch Measurements> Current measurement, voltage measurement, Menu SIMULINK > Math Operation > … Signal Rooting > Mux (multiplexeur)… Sinks > Dislay (affichage numérique), Scope (oscilloscope) … Sources > Pulse Generator (impulsions) 1.2. TRAVAIL DEMANDÉ 1. Relever pour =0, 25%, 50%, 75% et 100%, sous forme de tableau, la tension moyenne aux bornes de la charge, le courant ic dans la charge et ceci dans les cas E=0V et E=8V. Interpréter les résultats obtenus. Pr. Z. Boulghasoul 1 GE32 : Alimentation et commande des moteurs DC 2. Relever : la forme de la tension aux bornes de la charge RLE pour E=0V et E=8V la forme du courant ic dans la charge la forme du courant it et iD (Expliquer les formes obtenues) 3. Vérifier l'effet de l'inductance L et la fréquence f sur l'ondulation du courant 1.3. HACHEUR A POINT MILIEU Réaliser le montage donné à la figure 2 en considérant les valeurs des éléments précédents : Figure 2 : Montage hacheur à point milieu Les interrupteurs sont commandés de façon complémentaire : - de 0 à T/2: IGBT1 est passant / IGBT2 est bloqué. - de T/2 à T: IGBT1 est bloqué / IGBT2 est passant. 1.4. TRAVAIL DEMANDÉ 1. Donner l'expression de la valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge R.L.E Relever pour =0, 25%, 50%, 75% et 100%, sous forme de tableau, la tension moyenne aux bornes de la charge, le courant ic dans la charge et ceci dans les cas E=0V et E=8V. 2. Relever la forme du courant ic et de la tension aux bornes de la charge et étudier l'effet de la variation de L et f sur l'ondulation du courant. 3. Quels sont les avantages et les inconvénients de ce montage ? 1.5. HACHEUR 4 QUADRANTS Réaliser le montage donné à la figure 3 en considérant les valeurs des éléments précédents : Figure 3 : Montage hacheur 4 quadrants Pr. Z. Boulghasoul 2 GE32 : Alimentation et commande des moteurs DC Les interrupteurs sont commandés deux à deux de façon complémentaire : - de 0 à T/2: les transistors IGBT1 et IGBT4 sont passants / les transistors IGBT2 et IGBT3 sont bloqués. - de T/2 à T: les transistors IGBT1 et IGBT4 sont bloqués / les transistors IGBT2 et IGBT3 sont passants. 1.6. TRAVAIL DEMANDÉ 1. Reprendre les mêmes questions en déduire l'avantage par rapport au montage précédent. 2. COMMANDE PAR MODULATION DE LARGEUR D'IMPULSION Dans les montages précédents, on utilise des générateurs d’impulsions pour générer des signaux rectangulaires avec rapport cyclique variable. L’utilisation de ce type de commande est limité vu qu'il nécessite un arrêt de tout le système pour modifier le programme conformément aux besoins, chose qui n’est pas pratique pour les utilisateurs. La méthode la plus efficace consiste à utiliser la technique de Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI) qui permet d'avoir à tout instant t Uref =Vc. 2.1. PRINCIPE DE LA MODULATION DE LARGEUR D'IMPULSION Le principe de la MLI consiste à comparer la tension de référence Vref avec un signal triangulaire Vtri d'une haute fréquence dont les extrémités sont définies entre VDC tel que : Si Vref > Vtri : le signal de commande S=1, les 2 interrupteurs IGBT1 et IGBT3 sont à l'état fermé. La tension aux bornes de la charge est égale à +Vdc. Si Vref < Vtri : le signal de commande S=0, les 2 interrupteurs IGBT2 et IGBT4 sont à l'état fermé. La tension aux bornes de la charge est égale à -Vdc. La figure suivante illustre ce principe : Vtri A VDC E Vréf B C D t T 2 T t T 2 T S 1 Figure 4 : Principe de la modulation de largeur d'impulsion Pr. Z. Boulghasoul 3 GE32 : Alimentation et commande des moteurs DC Vu la symétrie du signal, on peut calculer le rapport cyclique sur une demi période : D'après la figure 4, nous avons : Nous avons également : tan Donc : t T 2 DC EB EB 1 DC DC EB DC EB AB AB AC AB d'où 1 AB AC DC AC AC AC Vref VDC Vref VDC 2.2. TRAVAIL DEMANDÉ 1. Montrer que le principe de la MLI reste toujours valable pour le cas d'un hacheur 4 quadrants. 2. Tester la commande MLI pour les différentes topologies étudiées précédemment. 3. CONTROLE DE COURANT AVEC COMPARATEUR A HYSTERESIS Cette commande consiste à imposer au courant dans la charge une valeur de référence donnée. Cela est obtenu en comparant le courant de référence ia* au courant absorbé par la charge ia ce qui nécessite , l’usage d’un capteur de courant. Le principe est illustré comme suit. Dans le cas d'un Hacheur à point milieu, et à partir d'une valeur de comparaison ∆i= ia* ia , on génère les signaux de commande des transistors Si le courant est décroissant et donc ∆i =e l'IGBT1 est ON et IGBT2 est OFF Si le courant est croissant et donc ∆i =-e l'IGBT1 est OFF et IGBT2 est ON 3.1. TRAVAIL DEMANDÉ Réaliser la commande par hystérésis du hacheur à point milieu et relever la forme de la tension et du courant dans la charge pour un échelon de courant de référence. Pr. Z. Boulghasoul 4 GE32 : Alimentation et commande des moteurs DC TP 2 : COMMANDE EN VITESSE ET EN COUPLE D'UN MOTEUR A COURANT CONTINU OBJECTIFS DU TP : 1. Apprendre à concevoir la commande en boucle ouverte d'un moteur à courant continu via un convertisseur DC/DC à 4 quadrants. 2. Apprendre à développer les lois de commande en vitesse et en couple d'un moteur à courant continu. MONTAGES ET MANIPULATIONS 1.1. ETUDE EN BOUCLE OUVERTE DU MOTEUR DC On désire dans un premier valider le modèle de la MCC en boucle ouvert. Réaliser le montage ci-dessous en considérant les paramètres suivants pour le montage : R=1; L=5e-3; K=0.076; Vdc=42; TL=0.1; J=2.5e-4; fr=1.1e-5; Figure 1 : Modèle de la MCC 1.2. TRAVAIL DEMANDÉ 1. Réaliser, sous Matlab/Simulink, le schéma bloc de la machine à courant continu en utilisant les paramètres donnés. 2. Vérifier à vide la relation entre la tension d'alimentation et la vitesse de rotation. 3. Vérifier la conservation de puissance. 4. Relever sous forme de tableau, le couple Te, la vitesse Ω et le courant d'induit I, pour les valeurs suivantes du couple de charge Tch = 0, 0.2, 0.4 et 0.6 N.m. Commenter les résultats obtenus. 5. Relever à vide l'évolution de Te, Ω et I. Quel effet présente l'application d'un échelon de tension sur le régime transitoire du couple. Proposer une solution pour améliorer le régime transitoire. 1.3. ETUDE EN BO DU MOTEUR A COURANT CONTINU ASSOCIE AU CONVERTISSEUR DC/DC On désire maintenant associé le moteur à courant continu à un convertisseur DC/DC, piloté par une MLI. Réaliser le montage ci-dessous en considérant les paramètres précédents : Figure 2 : Association de la MCC au convertisseur DC/DC Pr. Z. Boulghasoul 5 GE32 : Alimentation et commande des moteurs DC Pour les paramètres de la MCC, insérer les de la manière suivante : Figure 3 : Paramètres de la MCC 1.4. TRAVAIL DEMANDÉ 1. Réaliser, sous Matlab/Simulink, le schéma de l'alimentation de la MCC en utilisant le bloc de commande à MLI et le modèle de la machine sur PLECS (utiliser fmli=2000 Hz) 2. Vérifier bien que le modèle réalisé sur PLCES permet d'avoir les mêmes résultats que le schéma bloc (penser à superposer les résultats des deux modèles). 1.5. COMMANDE EN VITESSE D’UN MOTEUR DC L'objectif maintenant est de contrôler la vitesse du moteur selon le schéma de la commande donnée sur la figure ci-dessous. ref Ki p U ref Kp p 1 Ki 1 K 1 T m p Figure 4 : Schéma synoptique de la commande en vitesse 1.6. TRAVAIL DEMANDÉ 1. Réaliser le schéma de la régulation de vitesse par une commande en tension en utilisant les deux modèle précédents. Le temps de réponse de la boucle de vitesse est tr 0.1s 2. Pour un échelon de vitesse de 1000 tr/mn, relever les courbes suivantes pour les deux modèles : Ω avec Ωref, Te et I Pr. Z. Boulghasoul 6 GE32 : Alimentation et commande des moteurs DC 3. Tester pour les deux modèles, les performances de la commande lors de l'introduction d'un couple de charge Tch=0.2N.m. Relever et commenter les résultats obtenus. 1.7. COMMANDE EN VITESSE AVEC CONTROLE DU COURANT La structure fréquemment adoptée et une régulation courant-vitesse en cascade. Cette commande est nécessaire pour les puissances importantes afin d’éviter la destruction de la machine qui peut se produire suite aux surintensités survenant lors du démarrage ou des régimes transitoires. Elle est également exigée pour les applications qui mettent le moteur dans des conditions de fonctionnement dynamiques sévères (robotique par exp). Réaliser le schéma de la commande donné par la figure suivante : Figure 5 : Schéma synoptique de la commande en vitesse avec contrôle de courant 1.8. TRAVAIL DEMANDÉ 1. Réaliser le schéma de la commande en tension et en courant en utilisant le modèle développé sur PLECS. Le temps de réponse de la boucle de vitesse est tr 0.1s et le temps de réponse de la boucle de courant est ti 0.01s 2. Pour un échelon de vitesse de 1000 tr/mn, relever les courbes suivantes : Ω et Ωref, Te et Teref, I et Iref. 3. Tester les performances de la commande lors de l'introduction d'un couple de charge T ch=0.2 N.m. Pr. Z. Boulghasoul 7 GE32 : Alimentation et commande des moteurs DC TP N° 3 : COMMANDE EN VITESSE D'UN MOTEUR BLDC OBJECTIFS DU TP : Apprendre à concevoir une logique de pilotage en boucle ouverte du moteur BLDC Apprendre à concevoir les lois de commande en vitesse et en courant, en associant la BLDC à un convertisseur statique. I. COMMANDE EN BOUCLE OUVERTE DE LA BLDC Pour étudier le fonctionnement du moteur Brushless en boucle ouverte, on utilise le montage cidessous en considérant les paramètres suivants : p=3; R=1.59; L=3.3e-3; J=3.57e-3; fr=0.47e-3; Ke=0.156; Le fichier global sous Simulink : Figure 1 : Montage sous SIMULINK L'association de la BLDC au convertisseur Figure 2 : l'association de la BLDC au convertisseur Pr. Z. Boulghasoul 8 GE32 : Alimentation et commande des moteurs DC Le bloc de commande Le développement des signaux de commande est fait conformément à la logique donnée sur la figure suivante Figure 3 : Développement de la logique de commande Les signaux délivrés par les capteurs à effet Hall Les signaux des capteurs à effet Hall peuvent être reconstruit en utilisant le montage suivant : Figure 4 : Génération des signaux des capteurs à effet hall TRAVAIL DEMANDÉ : 1. Réaliser le fichier de simulation sous matlab-Simulink. 2. A vide, vérifier la relation entre la vitesse de rotation et la f.e.m 3. Vérifier pour différentes valeurs de la tension Vdc, la relation entre la vitesse de rotation et la tension Vdc Pr. Z. Boulghasoul 9 GE32 : Alimentation et commande des moteurs DC II. COMMANDE MLI EN BOUCLE OUVERTE Pour pouvoir varier la vitesse de rotation de la BLDC, on ajoute un bloc PWM qui permet d'obtenir une tension Vdc variable. Le montage précédent sera modifié de la manière suivante : Figure 5 : Montage de variation de vitesse en BO TRAVAIL DEMANDÉ : 1. A vide, vérifier la relation entre la vitesse de rotation et la f.e.m 2. Vérifier si la vitesse de rotation varie pour différentes valeurs de la tension Vref III. REGULATION DE VITESSE ET REGULATION DE VITESSE AVEC CONTROLE DU COURANT D’UNE BLDC Afin de contrôler la vitesse de la BLDC, ajoute au montage précédent deux boucles, une pour la régulation de la vitesse est l’autre pour la régulation du courant, comme il est montré sur cette figure : Figure 6 : Schéma de la commande en BF de la BLDC TRAVAIL DEMANDÉ : RÉGULATION DE VITESSE Pr. Z. Boulghasoul 10 GE32 : Alimentation et commande des moteurs DC 4. Réaliser le schéma de la régulation de vitesse par une commande en tension. Le temps de réponse de la boucle de vitesse est tr 0.1s 5. Pour un échelon de vitesse de 1000 tr/mn, relever les courbes suivantes : Ω avec Ωref, Te et la f.em. 6. Tester les performances de la commande lors de l'introduction d'un couple de charge Tch=0.2N.m. Relever et commenter les résultats obtenus. REGULATION DE VITESSE AVEC CONTROLE DE COURANT 4. Réaliser le schéma de la commande en tension et en courant. Le temps de réponse de la boucle de vitesse est tr 0.1s et le temps de réponse de la boucle de courant est ti 0.01s 5. Pour un échelon de vitesse de 1000 tr/mn, relever les courbes suivantes : Ω et Ωref, Te et Teref, I et Iref. 6. Tester les performances de la commande lors de l'introduction d'un couple de charge Tch=0.2 N.m. Pr. Z. Boulghasoul 11
