Contrôle orienté vers le champ

Les moteurs à induction CA offrent des caractéristiques opérationnelles enviables telles que la robustesse, la fiabilité et la facilité de commande. Ils sont largement utilisés dans diverses applications, allant des systèmes de contrôle de mouvement industriels aux appareils ménagers. Cependant, l'utilisation des moteurs à induction à leur efficacité maximale est une tâche difficile en raison de leur modèle mathématique complexe et de leurs caractéristiques non linéaires lors de la saturation. Ces facteurs rendent la commande du moteur à induction difficile et nécessitent l'utilisation d'algorithmes de commande haute performance tels que la commande vectorielle.

Introduction du contrôle orienté champ

La commande scalaire telle que la stratégie "V/Hz" a ses limites en termes de performance. La méthode de commande scalaire pour les moteurs à induction génère des oscillations sur le couple produit. Ainsi, pour obtenir une meilleure performance dynamique, un schéma de commande plus avancé est nécessaire pour le moteur à induction. Avec les capacités de traitement mathématique offertes par les microcontrôleurs, les processeurs de signal numérique et les FGPA, des stratégies de commande avancées peuvent être mises en œuvre pour découpler la génération de couple et les fonctions de magnétisation dans un moteur à induction CA. Ce couple découplé et flux de magnétisation est communément appelé contrôle orienté flux (FOC).

Le contrôle orienté champ décrit la manière dont la commande du couple et de la vitesse est directement basée sur l'état électromagnétique du moteur, similaire à un moteur CC. Le FOC est la première technologie à contrôler les "vraies" variables de commande du moteur, à savoir le couple et le flux. Avec le découplage entre les composantes du courant stator (flux de magnétisation et couple), la composante produisant le couple du flux stator peut être contrôlée indépendamment. À faible vitesse, l'état de magnétisation du moteur peut être maintenu au niveau approprié, et le couple peut être contrôlé pour réguler la vitesse.
« Le FOC a été uniquement développé pour les applications de moteurs à haute performance qui peuvent fonctionner en douceur sur une large plage de vitesse, peuvent produire un couple complet à vitesse nulle, et sont capables d'accélérations et de décélérations rapides. »

Principe de fonctionnement du contrôle orienté champ

Le contrôle orienté champ consiste à contrôler les courants stator représentés par un vecteur. Ce contrôle est basé sur des projections qui transforment un système triphasé dépendant du temps et de la vitesse en un système invariant dans le temps à deux coordonnées (repères d et q). Ces transformations et projections conduisent à une structure similaire à celle d'un contrôle de machine CC. Les machines FOC ont besoin de deux constantes comme références d'entrée : la composante de couple (alignée avec le repère q) et la composante de flux (alignée avec le repère d).
Les tensions, courants et flux triphasés des moteurs CA peuvent être analysés en termes de vecteurs spatiaux complexes. Si nous prenons ia, ib, ic comme étant les courants instantanés dans les phases stator, alors le vecteur de courant stator est défini comme suit:

Où, (a, b, c) sont les axes du système triphasé.

Ce vecteur de courant spatial représente le système triphasé sinusoïdal. Il doit être transformé en un système de coordonnées invariant dans le temps. Cette transformation peut être divisée en deux étapes:
(a, b, c) → (α, β) (la transformation de Clarke), qui donne des sorties d'un système de coordonnées variant dans le temps à deux dimensions.
(α, β) → (d, q) (la transformation de Park), qui donne des sorties d'un système de coordonnées invariant dans le temps à deux dimensions.
La projection (a, b, c) → (α, β) (transformation de Clarke)
Les grandeurs triphasées, soit les tensions ou les courants, variant dans le temps le long des axes a, b et c, peuvent être transformées mathématiquement en tensions ou courants biphasés variant dans le temps le long des axes α et β par la matrice de transformation suivante:

En supposant que l'axe a et l'axe α soient dans la même direction et que β soit orthogonal à eux, nous avons le diagramme vectoriel suivant:

La projection ci-dessus modifie le système triphasé en un système orthogonal bidimensionnel (α, β) comme indiqué ci-dessous:

Mais ces deux courants (α, β) dépendent encore du temps et de la vitesse.
La projection (α, β) → (d, q) (transformation de Park)
C'est la transformation la plus importante dans le FOC. En fait, cette projection modifie le système orthogonal fixe biphasé (α, β) en un système de référence rotatif (d, q). La matrice de transformation est donnée ci-dessous:

Où, θ est l'angle entre le système de référence rotatif et le système de référence fixe.
Si vous considérez que l'axe d est aligné avec le flux rotor, la Figure 2 montre la relation entre les deux systèmes de référence pour le vecteur de courant:

Où, θ est la position du flux rotor. Les composantes de couple et de flux du vecteur de courant sont déterminées par les équations suivantes:

Ces composantes dépendent des composantes du vecteur de courant (α, β) et de la position du flux rotor. Si vous connaissez la position précise du flux rotor, alors, par l'équation ci-dessus, les composantes d et q peuvent être facilement calculées. À cet instant, le couple peut être contrôlé directement car les composantes de flux (isd) et de couple (isq) sont maintenant indépendantes.

Module de base pour le contrôle orienté champ

Les courants de phase stator sont mesurés. Ces courants mesurés sont alimentés dans le bloc de transformation de Clarke. Les sorties de cette projection sont nommées isα et isβ. Ces deux composantes du courant entrent dans le bloc de transformation de Park qui fournit le courant dans le repère d, q. Les composantes isd et isq sont comparées aux références : isdref (la référence de flux) et isqref (la référence de couple). À ce stade, la structure de commande présente un avantage : elle peut être utilisée pour commander soit des machines synchrones, soit des machines à induction, en changeant simplement la référence de flux et en suivant la position du flux rotor. Dans le cas d'une MPM, le flux rotor est fixe, déterminé par les aimants, il n'est donc pas nécessaire d'en créer un. Par conséquent, lors du contrôle d'une MPM, isdref devrait être égal à zéro. Comme les moteurs à induction nécessitent une création de flux rotor pour fonctionner, la référence de flux ne doit pas être égale à zéro. Cela élimine facilement l'un des principaux inconvénients des structures de commande "classiques" : la portabilité des entraînements asynchrones vers les entraînements synchrones. Les sorties des contrôleurs PI sont Vsdref et Vsqref. Elles sont appliquées au bloc de transformation inverse de Park. Les sorties de cette projection sont Vsαref et Vsβref qui sont alimentées dans l'algorithme de modulation de largeur d'impulsion par vecteur spatial (SVPWM). Les sorties de ce bloc fournissent des signaux qui pilotent l'onduleur. Ici, les transformations de Park et inverse de Park nécessitent la position du flux rotor. Ainsi, la position du flux rotor est essentielle au FOC.
L'évaluation de la position du flux rotor est différente si nous considérons le moteur synchrone ou le moteur à induction.

1. Dans le cas des moteurs synchrones, la vitesse du rotor est égale à la vitesse du flux rotor. Alors la position du flux rotor est directement déterminée par le capteur de position ou par l'intégration de la vitesse du rotor.

2. Dans le cas des moteurs asynchrones, la vitesse du rotor n'est pas égale à la vitesse du flux rotor en raison du glissement ; par conséquent, une méthode particulière est utilisée pour évaluer la position du flux rotor (θ). Cette méthode utilise un modèle de courant