Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Commande sans capteur mécanique des actionneurs embarqués M. Fadel 1, R. Ruelland 1, G. Gateau 1, JC. Hapiot 1, P. Brodeau 2, JP Carayon 2 Présentation M. FADEL 1 Laboratoire 2 Liebherr d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de Toulouse Aerospace SA Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Sommaire Introduction Les actionneurs embarqués La commande sans capteur Machines à aimantation sinusoïdale Machines à aimantation trapézoïdale Implantation numérique Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Apports incessants de l’électronique et de l’informatique en aéronautique ( civile et militaire ) depuis 50 ans Localisation, équipements de bord, Navigation Commandes de vol, Viseurs…… Diminution de la charge du pilote Amélioration de la fiabilité, … Actuellement, efforts importants sur les organes de puissance Avions « plus électrique » , traitement de l’énergie électrique Convertisseurs Statiques et actionneurs électriques. . Puissance électrique générée Gain en Poids/Volume …mais aussi … fiabilité! Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Expansion du marché aérien Besoins nouveaux en matière d’actionneurs Actionneurs électriques compétitifs ( faible puissance ) Souplesse d’utilisation, performances intrinsèques, poids Fiabilité, Fonctions de contrôle et de diagnostic Servo-vérins Electriques Commande des gouvernes Sensation artificielle d’effort Electro-pompes sur système carburant Traitement de l’air Entrainement de ventilateurs Avion < 100 places …… 20 actionneurs traitement de l’air Machines à aimant grande vitesse 60000 … 100000 tr/mn Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Remplacement des équipements hydrauliques ou pneumatiques de faible puissance Amélioration de l’activité de maintenance et du travail des pilotes Identification de pannes, surveillance Dialogue avec les calculateurs, le cockpit Vannes électriques de régulation des flux d’air Vannes électro-pneumatiques de récupération d’air …. . Tendance actuelle …actionneur de plus forte puissance => 10 k. W Compresseur d’air EHA - Electrohydrostatic Actuator …. Contraintes plus fortes en température et en vitesse …. . Commande sans capteur mécanique Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Commande sans capteur mécanique Consigne de vitesse Consigne de position Machines à fem trapézoïdales Machines à fem sinusoïdales Reconstruction basse résolution Type capteur à effet hall Reconstruction haute résolution Type Resolver Faible inductance cyclique et fréquence de commutation ! Montée en vitesse, limite de tension et défluxage si possible … Démarrage Localisation du rotor ou pré calage Caractéristique de la charge ( couple au démarrage ) Type de rotor ( pôles lisses ou saillants ) Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Reconstruction de la position du rotor Autopilotage Lien rigide entre Fréquence de rotation et Fréquence d’alimentation Mesures disponibles: Tensions statoriques ou bien tension Bus DC et Cde Onduleur Courants statoriques ( 2 mesures ) Point neutre de la machine? Modèles machines: Représentation de Park d, q Représentation de Clarke a, b Représentation en tension composée ba, ca Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Machine sinus Connaissance de position en continu Estimation de la position Observateur des FEMs Machines trapézoïdales Connaissance discrète Extension des méthodes sinus Observateur des FEMs Harmonique 3 des fems Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Démarrage Pré-calage du rotor Déplacement autorisé Charge nulle au démarrage Incertitude sur le sens de rotation Localisation du rotor Simple pour les machine à pôles saillants Plus difficile pour les pôles lisses Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Machine sinus Estimation par intégration du flux Tabulation Transformation de Concordia Conditions initiales Pré calage ou Localisation ++Indépendance par rapport aux paramètres mécaniques ++Faible volume de calcul - - Dépendance par rapport aux paramètres électriques - - Sensible à la condition initiale Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Machine sinus Calculons Filtre de Kalman et Evaluation à surveiller Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Charge Mécanique Filtre de Kalman Machine synchrone Modèle + K - Gain de Kalman Minimisation de la moyenne des erreurs quadratiques Définir les matrices de covariance du bruit de mesure et d’état Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Filtre de Kalman Courant estimé et mesuré Position ++Robustesse par rapport aux variations paramétriques ++ Robustesse par rapport bruits de mesure ++ Extension au couple de charge aisée - - Volume de calcul important Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Observateur en régime de glissement Modèle En, ( ? , ? ) (a b ) Filtre + arctan ++Robustesse ++Simplicité - - Exigence de rapidité - - Chattering Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Observateur par redondance analytique Modèle dans le repère diphasé (d, q) é Vd ù éRs + p. Ls ê ú = êω × ë Vq û ë r Ls - ωr ×Ls ù éId ù ú ê ú + Ke × ωr Rs + p. Ls û ëIq û é 0 ù ê ú ë 1 û wr + p/4 q (1) Wrong zone Ls. d. I/dt (Rs + DR) femd 1=(Vd-Rs. Id -Ls. p. Id) femd 2= - r. Ls. Iq femq 1=(Vq-Rs. Iq -Ls. p. Iq) femq 2 = r. (Ls. Id - Msr. If) Correct Rotation Zone Ls. d. I/dt Vq eq Rs. I q 2 q 1 d Vd + DVd ed femd= femd 1 - femd 2 femq = femq 1 - femq 2 réel (2) VS 1 VS 2 VS 3 IS 1 IS 2 t IS 3 1 2 3 Vd Vq d q Id Iq PI (2) + (3) r + + est 1/s Bonne estimation es t Signe Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Iref PWM M. S Inverter IS 1 IS 2 IS 3 VS 1 VS 2 VS 3 + PI ( ) estimé ++Simple ++Faible Vol. calcul -- Calcul Régulateur Real position Desired position Time (s) Observer Time (s) Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Observateur par redondance analytique avec MRAS Pôles lisses Changement de variable Hyperstabilité au sens de POPOV Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Machine trapèze T 1 T 2 T 4 T 5 T 3 T 6 240° 120° T 1 T 2 T 3 T 4 60° T 5 T 6 Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Utilisation du modèle ba-ca ( tensions composées ) Mesure Echantillonnage rapide! X = (Iba, Eba, Ica, Eca ) Tabulation Inter sections Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Reconstruction de la Fem et détection du passage par zéro Observation indirecte Dérivation du courant !! Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Utilisation d'un transformateur série Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Extraction de l'harmonique 3 des FEMs 60° Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Détection du passage par 0 et synchronisation Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Implantation Numérique de la commande Vitesse de calcul Les Composants de l’électronique numérique Composants Logiques Programmable s FPGA, EPLD Evolutions Technologiques Microprocesseurs DSP, contrôleurs Capacité d’intégration Les fonctions à réaliser: Contraintes Temporelles C L P Détection de passage par zéro de la fem Régime Glissant … p … Algorithmes Filtre de Kalman en ( , ) Observation de position Compléxité Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Vitesse de calcul ? CLP : FPGA, EPLD Peu de composants certifiés Prises en compte des contraintes µP : DSP, contrôleurs composants+coûteux Capacité d’intégration Vitesse de calcul Association p CLP : + CLP FPGA, EPLD Répartition des Tâches ? ? µP : DSP, contrôleurs Capacité d’intégration Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Spécifications Fonctionnelles Choix d’une Architecture Répartition des tâches entre le logiciel et le matériel Synthèse Matérielle Avantages : • Test de différents partitionnement possibles Syntheses Logicielle Co-simulation Évaluation des performances • Test des formats de codage • Estimation du temps de réponse • Fiabilité du code implanté Prototype Matériel Intégration et évaluation des performances Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Validation des algorithmes à l’aide d’une carte de commande versatile Liaison directe avec le FPGA 2 CANs Rapides (Freq max 40 MHz) FPGA Acex 1 K 100 (100000 portes éq) 48 Entrées/Sorties Numériques (MLI, Bus) DSP Texas Instruments (TMS 320 C 6 X) 150 MHz 2 CANs (4 voies) à fmax=6 MHz 2 CNAs (aide au déboguage ou lien vers système analogique) Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828 Conclusion Diverses solutions pour la commande sans capteur de position Précalage ou localisation Reconstruction haute ou basse résolution ( type de machine ) Régime de fonctionnement (vitesse max) Variations paramétriques en présence ( robustesse ) Moyens de réalisation Fiabilité ! ! ! Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques »
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