Introduction à la commande vectorielle

La commande vectorielle (FOC) est une technique de contrôle utilisée pour obtenir une bonne capacité de contrôle sur toute la plage de couple et de vitesse pour différents types de moteurs, notamment les machines à inductance, les machines synchrones à aimants permanents (PMSM) et les moteurs DC brushless (BLDC). Pour les vitesses supérieures à la vitesse nominale, la commande vectorielle avec contrôle par défluxage est utilisée.

Le schéma bloc ci-dessous montre une architecture de commande vectorielle qui comprend les composants suivants :

• Un contrôleur de courant composé de deux contrôleurs proportionnels intégraux
• Un contrôleur de vitesse en boucle externe optionnel et un générateur de référence de courant
• Des transformées de Clarke, de Park et inverse de Park pour effectuer la conversion entre les référentiels synchrones stationnaires et rotatifs
• Un algorithme de méthode du vecteur spatial pour transformer les commandes vα et vβ en signaux de modulation de largeur d'impulsion appliqués aux bobinages du stator
• Des fonctions de protection et des fonctions auxiliaires, incluant une logique de démarrage et d'arrêt
• Un observateur optionnel pour estimer la position angulaire du rotor si un mode de commande sans capteur est souhaité

Les ingénieurs en contrôle moteur chargés du design d'une commande vectorielle effectuent les tâches suivantes :

• Développer l’architecture du contrôleur avec deux contrôleurs PI pour la boucle de courant
• Développer des contrôleurs PI pour les boucles de régulation optionnelles externes de vitesse et de position
• Ajuster les gains de tous les contrôleurs PI pour répondre aux exigences de performance
• Concevoir une méthode du vecteur spatial pour le contrôle d'un PWM
• Concevoir un algorithme d'observation pour estimer la position et la vitesse d'un rotor dans le cas d'un contrôle sans capteur
• Concevoir des algorithmes de maximisation du couple par ampère ou de contrôle par défluxage pour générer des id_ref et iq_ref optimaux
• Implémenter des transformées de Park, de Clarke et des transformées inverses de Park efficaces d’un point de vue computationnel
• Concevoir la logique de détection de défaillance et de protection
• Vérifier et valider les performances du contrôleur dans différentes conditions d'exploitation
• Implémenter un contrôleur en virgule fixe ou flottante sur un microcontrôleur ou un FPGA

Le design de commande vectorielle avec Simulink vous permet d'utiliser des simulations multi-échantillonnées pour concevoir, ajuster et vérifier les algorithmes de contrôle, puis détecter et corriger les erreurs sur l'ensemble de la plage de fonctionnement du moteur avant de tester le hardware. Vous pouvez réduire le nombre de tests sur les prototypes et vérifier la robustesse des algorithmes de contrôle dans des conditions de défaillance, qui ne peuvent pas être testées facilement sur le hardware.

En utilisant la simulation avec Simulink, vous pouvez :

• Modéliser différents types de moteurs, notamment des machines triphasées synchrones et asynchrones. Vous pouvez créer des modèles de différents niveaux de fidélité et passer de l’un à l’autre, allant de modèles simples de premiers principes et de somme globale à des modèles non linéaires haute-fidélité basés sur les flux et créés par importation à partir d'outils FEA tels que ANSYS^® Maxwell^®, JMAG^® ou Femtet^®
• Modéliser les contrôleurs de courant, les régulateurs de vitesse et les modulateurs
• Modéliser l'électronique de puissance de l'onduleur
• Ajuster les gains d'un système de contrôle en utilisant des techniques pour le design de contrôle linéaire telles que le diagramme de Bode et la méthode du lieu des racines, ainsi que des techniques telles que le réglage automatisé du PID
• Modéliser les modes de démarrage, d'arrêt et d'erreur et concevoir une logique de réduction de puissance et de protection pour garantir un fonctionnement sûr
• Concevoir des algorithmes d'observation pour estimer la position et la vitesse du rotor
• Optimiser id_ref et iq_ref pour garantir des pertes de puissance minimales, un fonctionnement au-dessus de la vitesse nominale du rotor et un fonctionnement correct en cas d'incertitudes paramétriques
• Concevoir des algorithmes de conditionnement et de traitement du signal pour les canaux d'E/S
• Exécuter des simulations du moteur et du contrôleur en boucle fermée pour tester la performance du système dans des scenarios de fonctionnement normal et anormal
• Générer automatiquement du code C conforme aux normes ANSI, ISO, ou optimisé pour un processeur spécifique, ainsi que du HDL pour le prototypage rapide, les tests Hardware-in-the-Loop et l'implémentation en production