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Confrence Internationale de MOdlisation et SIMulation - MOSIM10 - 10 au 12 mai 2010 - Hammamet - Tunisie
Evaluation et optimisation des systmes innovants de production de biens et de services
COMPARAISON DES PERFORMANCES DES REGULATEURS PI ET IP
APPLIQUES POUR LA COMMANDE VECTORIELLE A FLUX
ROTORIQUE ORIENTE DUNE MACHINE ASYNCHRONE
A. LOKRITI, Y. ZIDANI
LSET / FSTG
Facult des Sciences et Techniques
B.P 549, Av.Abdelkarim Elkhattabi, Guliz [email protected], [email protected]
S. DOUBABI
LSET / FSTG
Facult des Sciences et Techniques
B.P 549, Av.Abdelkarim Elkhattabi, Guliz [email protected]
RESUME :Lasservissement de vitesse utilisant le contrle par orientation du flux, indirect (IFOC) ou direct (DFOC),avec ou sans capteur de vitesse, utilise classiquement des rgulateurs de courant de type proportionnel intgral (PI),
qui permettent datteindre des objectifs satisfaisants sur la dynamique du couple et du flux. Le prsent article a pour
objectif de prsenter une stratgie de contrle vectorielle indirect flux rotorique orient utilisant des rgulateurs de
courant de type intgral proportionnel (IP), applique une machine asynchrone alimente par onduleur de tension,
capable de fournir lors des sollicitations contraignantes, des rponses en couple et en flux plus satisfaisantes. La
comparaison entre les deux mthodes sous les mmes conditions est illustre par des simulations.
MOTS-CLES : DFOC, IFOC, rgulateur PI et IP, machine asynchrone.
1 INTRODUCTION
La machine asynchrone, robuste, simple, rentable etmoins chre (Caron et Hautier , 1995), est lheure ac-tuelle de loin la plus utilise dans les applications indus-trielles o la variation de vitesse avec une haute prci-
sion de rgulation et de hautes performances en couple
sont requises (Jarray, 2000). Ceci est d :- au grand dveloppement qua connue llectronique de
puissance, manifestant dans la ralisation de convertis-seurs statiques (onduleurs de tensions) base du compo-sant (IGBT) commutant des frquences trs leves, etpouvant fournir en sortie des tensions variables en am-plitude et en frquence.- lapparition des processeurs de traitement de signauxde plus en plus performants (DSP) (Jemli et al., 1998),
(Zhen et Xu, 1998), (Jarray, 2000).- au dveloppement dalgorithmes de commande directeen couple (Takahashi et Noguchi, 1986) ou vectorielle
appeles aussi commandes par orientation du flux, d-
couvertes par Karl Hasse indirecte (Hasse, 1968) etFelix Blaschke directe (Blaschke, 1972).
Ces deux mthodes de commande vectorielle, directeet indirecte, se diffrent essentiellement dans le calcul del'angle de Park s, (grandeur essentielle dans la com-
mande) reprsentant la phase du flux oriente dans lerepre li au stator : dans la commande indirecte, cetangle est calcul partir de la pulsation statorique s
elle-mme reconstitue laide de la relationdautopilotage qui additionne la vitesse lectrique etla pulsation de glissement g, tandis que la commandedirecte, calcule directement cet angle partir des gran-
deurs mesures ou estimes (Ba-razzouk, 1998),(Baghli, 2009), (Boussak et Jarray, 2006).
Le but de la commande vectorielle est de retrouver lafaon dont les moteurs courant continu excitation
spare sont commands, o il y a un dcouplage natu-rel entre la grandeur commandant le flux (courant d'excitation), et celle lie au couple (courant d'induit). Afin dy
arriver, les techniques de commande vectorielle ont tirleur ide de base du modle du moteur asynchrone dansle repre synchrone dq. En effet, lorientation du fluxdans la machine selon laxe d, et le maintien de ce flux
orient constant via la composante directe du courantstatorique, permet de rgler le couple via la composanteen quadrature du mme courant, ralisant ainsi le d-
couplage entre le flux et le couple dans le moteur asyn-chrone. Ainsi apparait lextrme importance de la rgu-lation des deux composantes de ce courant. Contraire-
ment la machine courant continu, les deux compo-santes du courant statorique ids et iqs sont fortementcoupls. Sans dcouplage, tout changement dans lun deces deux courants produira une perturbation dans lautre
et dtriora ainsi le control du couple. Ce problmefaisait et fait lobjet de plusieurs publications (Briz et al.,
2000), (Jung et al., 1997), (Harnefors et Nee, 1998),(Comanescu, 2009), (Comanescu et al., 2008).Lobjectif de cet article est de comparer les perfor-mances de la commande vectorielle indirecte flux roto-
rique orient utilisant deux types de rgulateurs de cou-rant : le (PI) classique et le (IP) et amliorer ainsi cettestratgie de commande.
Dans cet article nous traiterons les points suivants :
Modlisation dynamique de la machine asyn-chrone alimente en tension.
Commande vectorielle par orientation du flux ro-
torique (CVOFR). Synthse des correcteurs de vitesse, et de courant.
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2 NOTATIONS
dsi , qsi Courant statorique daxe d-q.
dsv , qsv Tension statorique daxe d-q.
dr , qr Flux rotorique daxe d-q.r Amplitude du flux rotorique.
rs RR , Rsistance statorique et rotorique.
sL , rL Inductances cyclique statorique et roto-
rique.M Inductance cyclique mutuelle stator-rotor.
s r Constant de temps statorique et rotorique.
Coefficient de fuite de Blondel.
s Vitesse de synchronisme.g Pulsation de glissement.
Vitesse lectrique du rotor.
r Vitesse mcanique du rotor.
pn Nombre de paires de ples.
J Moment dinertie.
f Coefficient de frottement visqueux.
eC , rC Couples lectromagntique et de charge.
p Operateur de Laplace.
* Note une valeur de rfrence.
3 MODELISATION DYNAMIQUE DE LAMACHINE ASYNCHRONE ALIMENTEE ENTENSION
Sous certaines hypothses habituelles, le modledynamique de la machine asynchrone dans le represynchrone (Baghli, 2009), (Nasri et al., 2008), (Jung etNam ,1999), (Barbier et al., 1996), peut se prsenter
sous la forme dquation dtat suivante :
=
+=
++=
++++=
drgqr
r
rqs
r
rqr
qrgdr
r
rds
r
rdr
qsqr
r
rdr
r
qssrdsssqs
dsqr
r
dr
r
r
qsssdssrds
L
Ri
L
MR
dt
d
L
Ri
L
MR
dt
d
vL
MR
L
MiRiL
sL
idt
d
vL
M
L
MRiLiR
sL
idt
d
2
2
1
1
(1)
)( dsqrqsdrr
pe iiL
MnC = (2)
re CCfdt
dJ =+ (3)
Avec :
=
+==
rsr
rssrsgLL
M
L
MRRR
2
2
2
1;;
Modliser la machine de cette manire permet de rduire
le nombre de grandeurs qu'on a besoin de connatre pour
pouvoir simuler le fonctionnement de la machine.
4 COMMANDE VECTORIELLE A FLUXROTORIQUE ORIENTEE
La commande vectorielle par orientation du flux
rotorique est la plus utilise, car elle limine l'influence
des ractances de fuite rotorique et statorique et donnent
de meilleurs rsultats que les mthodes bases sur
l'orientation du flux statorique ou d'entrefer (Baghli,
2009), (Bose, 1986), (Faidallah, 1995), tout en assurant
le meilleur comportement couple en fonction de la
vitesse de glissement en rgime permanent (Ba-razzouk,
1998). Selon (Abed et al., 2008), (Ohyama et al.,
2006), le schma gnral de commande vectorielle flux
rotorique orient, se prsente comme suit :
Figure 1 : Le schma gnral de la commande vectorielle
flux rotorique orient
En imposant 0; == qrrdr et , les quations de lamachine dans un rfrentiel li au champ tournant etdans le domaine de Laplace (Baghli, 2009), (Abed et al.,2008), (Lo et Kuo, 1998) deviennent :
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=+
+++=
+=
dsrrr
dsssr
r
sqsssds
qsssdsssds
Mi
dt
d
iLL
MiLpRv
iLiLpRv
)(
)(
(4)
qsdr
r
pe iL
MnC = (5)
Ces expressions montrent que le flux ne dpend que de
la composante directe du courant statorique ids, et que sion maintient ce dernier constant, le couple ne dpendraque de la composante en quadrature du courant stato-rique iqs. Pourtant, dans le cas dune alimentation en
tension vsd et vsq influent la fois sur ids et iqs, donc surle flux et le couple, do vient lintrt d'ajouter destermes de compensation afin de rendre les axes d et q
compltement indpendants. Les performances qu'ap-porte ce dcouplage additionnel dit aussi par compensa-tion ont t montres dans (Dakhouche et Roye, 1991),(Baghli et al., 1996). Le schma bloc illustrant ce d-couplage par compensation est le suivant :
Figure 2 : principe du dcouplage par compensation
Ce dcouplage permet surtout d'crire les quations de lamachine et de la partie rgulation d'une manire simple
et facilite ainsi le calcul des coefficients des rgulateursde courant (Baghli, 2009), (Derdiyok et al., 2002), (Abedet al., 2008). Notons ici que les termes de dcouplage ne
tiennent pas compte des perturbations dues la dyna-mique du flux, ainsi les performances dynamique delasservissement du couple et par la suite de vitessedpendent de la robustesse du rgulateur choisi vis-a-vis
de ces perturbations.
5 SYNTHESE DES CORRECTEURS PI ET IP
Comme le montre la figure 3, classiquement largulation des courants statoriques se fait avec des
rgulateur de type PI. Dans la section suivante nousallons voir les avantages quapporte un rgulateur detype IP. Afin de tester et comparer ces deux rgulateurs,
nous allons les soumettre aux mmes conditions defonctionnement. En effet, nous avons opt de travailler
avec la commande vectorielle la plus utilise, indirecte
par orientation de flux rotorique avec capteur de vitesse(Jebali et al., 2004), illustre par la figure suivante :
Figure 3 : Schma bloc CVIOFREn prenant comme grandeurs de rfrences le flux et la
vitesse ),(**
rdret , le couple lectromagntique de
rfrence
*
C e sera la sortie du rgulateur de vitesse, etles tensions de rfrences
*dqsv , seront les sorties des
rgulateurs de courant, tandis que les courants et lespulsations de rfrences seront donns par :
Mi drds
** = (6)
Mn
LCi
drp
reqs *
**
= (7)
rpgsqsdrr
g netiT
M
+==
***
*
* (8)
5.1 Rgulateur de courant de type PI
Le schma de rgulation de courant par un correcteur de
type PI est illustr par la figure suivante :
Figure 4 : Boucle de rgulation de courant avec PI
La synthse classique de ce rgulateur se fait de la faonsuivante.
En poursuite : P1(p)=0
Etant donn que la fonction de transfert en boucleferme prsente un zro, et pour annuler leffet de la
constante de temps dominante s , on impose :
sii
ip
K
K
=1
1
(9)
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Ainsi, on limine le zro et la fonction de transfert enboucle ferme du courant devient :
pk
Rpi
pi
ii
sdqs
dqs
1
*
1
1
)(
)(
+= (10)
Pour un temps de rponse 5% en boucle ferme
s*3*0.116ms3.317 ==rit , on trouve :
31
ri
ii
s t
k
R=
Donc :4
1 102.8983
==ri
sii
t
Rk , et 275.7811 == iisip kk
En rgulation : 0)(* =pidqs
Sous les mmes conditions imposes de poursuite, la
fonction de transfert en boucle ferme liant la sortie)(pidqs la perturbation P(p) est donne par :
)1)(1(
/
)(
)(
1
1
1 pk
Rp
kp
pP
pi
ii
ss
iidqs
++=
(11)
En rgime permanent leffet de toute perturbation, de
type impulsion ou chelon, est certainement annul. Par
contre, nous remarquons que la constant de temps
dominante s compense en poursuite apparait enrgime dynamique de la rgulation, ce qui ralentisse le
rejet de la perturbation du fait queii
ss
k
R
1
8.6= .
5.2 Rgulateur de courant de type IP
Le correcteur Intgral proportionnel IP estessentiellement diffrent du correcteur PI par le faitquil ne prsente pas de zro dans la fonction de transfert
en boucle ferme, ainsi sa sortie ne reprsentera pas dediscontinuit lors de lapplication dune consigne de typechelon (Jebali et al., 2004), (Jarray, 2000). Le schmabloc de la rgulation de courant incluant le correcteur IP
est illustre par la figure suivante :
Figure 5 : Boucle de rgulation de courant avec IP
Soit, sRA = et sLB =
en poursuite : P1(p)=0
La fonction de transfert en boucle ferme de courantest donne par :
11
1
)(
)(
21'
2
21'
1'*
++=
pKg
pKg
pi
pi
iiii
dqs
dqs
(12)
Avec :AK
B
ip +=
2
1' et
AK
Kg
ip
ip
+= 2
21' (13)
Pour que le systme ait une rponse apriodique pour
une consigne en chelon, il est ncessaire de prendre:
1''
1
24
1
gK ii = (14)
Dans ce cas la constante de temps 2' du systme en
boucle ferme et le gain proportionnel deviennent :
1'
2'
2 = ,1'
1'2
ABK ip = (15)
Pour le mme temps de rponse ms3.317=rit 5% ontrouve :
ms699.02' = , 839.692 =ipK et 741.982 =iiK
En rgulation : 0)(* =pidqs
Sous les mmes conditions de poursuite, la fonction de
transfert en boucle ferme liant la sortie )(pidqs la
perturbation P(p) est donne par :
11
)/(
)(
)(
21'
2
21'
1'
22
1 ++=
pKg
pKg
kkp
pP
pi
iiii
ipiidqs
(16)
Comme pour le PI, leffet de toute perturbation, de type
impulsion ou chelon, est certainement annul En rgimepermanent. Tandis que le rgime dynamique de largulation se fait avec le mme ple double de la
poursuite
'
28.31 =s et donc plus rapidement quavecle rgulateur PI.
Remarque: Sous la condition satisfaite par tout
rgulateur de courant: srit 3*5.2< , Nous pouvons
montrer que:
ipiiii kkk 221
11> , ce qui renforce de plus
le rejet des perturbations avec un IP quavec un PI.
5.3 Rgulateur de vitesse de type IP
Pour la rgulation de vitesse, nous avons choisi
dutiliser un correcteur Intgral proportionnel IP pour lesmmes raisons cites dans la sous-section 5.2. Le
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schma bloc de la rgulation de vitesse avec rgulateurIP est le suivant :
Figure 6 : Boucle de rgulation de vitesse avec IP
Avec :fJp
npF
p
+=)( (17)
Dans labsence des perturbations ( 0Cr = ), la fonctionde transfert en boucle ferme de vitesse est donne par :
11
1
)(
)(
1
2
1
1*
++=
pKg
pKg
p
p
ii
(18)
Avec :fKn
J
pp +=1 et
fKn
Kng
pp
pp
+=1
Pour que le systme ait une rponse apriodique pour
une consigne de vitesse en chelon, il est ncessaire deprendre :
114
1
gKi = (19)
Dans ce cas la constante de temps 2 du systme enboucle ferme et le gain proportionnel deviennent res-
pectivement :
12 2 = ,1
1
p
pn
fJK
= (20)
Pour un temps de rponse 5% en vitesse
strw 0.3317= , de lordre de cent fois le temps derponse en courant et qui correspondant un couple
maximale de lordre de deux fois le couple nominal
pour un chelon de vitesse de 1500 (rpm), on trouve :s0.072 = , 0.041=pK , et 7.151.=iK
6 RESULTATS DE SIMULATION ETDISCUSSION
La validation de cette commande est faite laide dulogiciel Matlab-Simulink, sur un modle dune machineasynchrone dune puissance de 270 W. On sest assur,
lors des essais, que nous ne saturons pas la commande,c'est--dire que la norme de la tension de sortie nedpasse pas la valeur limite, admissible par londuleur
(220 V). La commande de londuleur t effectue laide de la modulation de largeur dimpulsion de type
sinus-triangle de frquence, KHzfpwm 3= et un pas de
simulation Ts =1e-5. La simulation dure 3s, pour une
consigne de flux rotorique dr = 0.3253Wb, et uneconsigne de vitesse de 1500( tpm) de t=0s t=1.8s, et de
- 1500 tpm jusqua t= 3s, avec insertion de couple decharge nominale Cr= 1.7 Nm t=1s. Nous obtenons lesrsultats suivants :
Figure 7 : Les courants quadratures en fonction du temps
Figure 8: Les courants directs en fonction du temps
Figure 9: Les flux rotoriques en fonctions du temps
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Figure 10: Les couples lectromagntiques en fonctiondu temps
Figure 11: Les vitesses mcaniques en fonction dutemps
Figure 12: Zoom sur les vitesses mcaniques
Malgr que le dcouplage parfait ne soit atteint quaprsstabilisation parfaite du flux orient sur sa valeur de
consigne, condition qui nest satisfaite quaprs un r-gime transitoire de flux. Les rsultats de simulationmontrent, que les deux rgulateurs de courant de type PI
et IP arrivent en fin de compte rguler les courantsdans la machine, et que le choix du rgulateur IP pr-sente des performances plus satisfaisantes que le PI soiten asservissement ou en rgulation, aussi bien en rgimetransitoire en minimisant le dpassement observer sur leflux et le courant, quen rgime permanent (minimisa-tion des ondulations), voire figure 8 et 9 chose qui se
rpercute automatiquement sur le couple lectroma-gntique et par la suite sur la vitesse, voir figure 12.
7 CONCLUSION & PERSPECTIVES
Dans cet article, nous avons prsent la commandevectorielle indirecte par orientation du flux rotoriquedune machine induction alimente par un onduleur de
tension. La robustesse du correcteur IP par rapport au PI
en terme de rgulation de vitesse et de courant tait justifie thoriquement ainsi que par simulation. Lecalcul des rfrences et les expressions des paramtres
des correcteurs courant et vitesse, font intervenir lesparamtres de la machine. Toute variation ventuelle deces derniers avec la temprature ou la frquence fausserale dcouplage entre le flux et le couple et dtriora lesperformances dynamiques de la commande vectorielle.Ltape suivante serait donc de dvelopper des
algorithmes de commande base de logique floue etrseaux de neurones permettant la mise jour en tempsrel de ces paramtres dans la commande et
dimplmenter ces techniques sur une carte DSP.
Puissance active (P) 270 W
Voltage (Vs-Y ) 220 V
Nombre de paires de ples (np) 2
Rsistance statorique (Rs) 32.0417
Rsistance rotorique (Rr) 4.27
Inductance cyclique stato-
rique(Ls)2.405 H
Inductance cyclique rotorique(Lr)
0.1981H
Inductance cyclique mutuellestator rotor (M)
0.645H
Moment dinertie (J) 0.00286Kg.m2
Coefficient de frottement vis-
queux (f)0.0001N.m.s/rad
Tableau 1 : Paramtres de la machine asynchrone
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