Conception du contrôle de systèmes d'électronique de puissance avec Simulink

Contrôle à flux orienté

Développer des algorithmes de contrôle à flux orienté à l'aide de la simulation

Le contrôle à flux orienté offre un contrôle du couple maximum par ampère ou du shuntage du champ pour différents types de moteurs, notamment pour les machines à inductance, les machines synchrones à aimants permanents (PMSM, « permanent magnet synchronous machines ») et les moteur CC sans balais (BLDC).

Le diagramme en bloc ci-après représente une architecture de contrôle à flux orienté qui comprend les composants suivants :

  • un contrôleur de courant composé de deux contrôleurs proportionnels intégraux
  • un générateur de courant de référence et un contrôleur de vitesse en boucle externe (en option)
  • des transformées de Clarke, de Park et inverse de Park pour effectuer la conversion entre les trames synchrones stationnaire et rotative
  • un algorithme de modulation du vecteur d'espace pour transformer les commandes vα et vβ en signaux de modulation de largeur d'impulsion appliqués à l'enroulement du stator
  • des fonctions de protection et auxiliaires, notamment une logique de démarrage et d'arrêt
  • un observateur facultatif pour estimer la position angulaire du rotor si un contrôle sans capteur est souhaité

Diagramme en bloc du contrôle à flux orienté.

Les ingénieurs en contrôle de moteur concevant un contrôle à flux orienté effectuent les tâches suivantes :

  • développer l'architecture de contrôleur avec deux contrôleurs PI pour la boucle de courant
  • développer des contrôleurs PI pour les boucles externes de vitesse et de position facultatives
  • régler les gains de tous les contrôleurs PID pour répondre aux exigences de performance
  • concevoir un modulateur de vecteur d'espace pour le contrôle de MLI
  • concevoir un algorithme d'observateur pour estimer la position et la vitesse du rotor si un contrôle sans capteur est utilisé
  • concevoir des algorithmes de contrôle de couple maximum par ampère ou de shuntage du champ pour générer des id_ref et iq_ref optimales
  • implémenter des transformées de Clarke, de Park et inverse de Park informatiquement efficaces
  • concevoir la logique de détection de défaillances et de protection
  • vérifier et valider les performances du contrôleur dans différentes conditions de fonctionnement
  • implémenter un contrôleur en virgule fixe ou flottante sur un microcontrôleur ou un FPGA

Le design de contrôle à flux orienté avec Simulink® vous permet d'utiliser la simulation multi-cadences pour concevoir, régler et vérifier des algorithmes de contrôle. Il vous permet également de détecter et corriger les erreurs sur la totalité de la plage de fonctionnement de votre moteur avant le test du matériel. En utilisant la simulation avec Simulink, vous pouvez réduire le nombre de tests de prototype et vérifier la fiabilité des algorithmes de contrôle aux conditions de défaillance qui ne sont pas pratiques à tester sur le matériel. Vous pouvez :

  • modéliser différents types de moteurs, notamment des machines triphasées synchrones et asynchrones. Vous pouvez créer des modèles à différents niveaux de fidélité et passer des uns aux autres, depuis les modèles de principe premier à sommes groupées jusqu'aux modèles non linéaires haute fidélité basés sur les flux, créés par importation depuis des outils d'analyse par éléments finis (FEA) tels que ANSYS® Maxwell® et JMAG®
  • modéliser des contrôleurs de courant, des contrôleurs de vitesse et des modulateurs
  • modéliser l'onduleur d'électronique de puissance
  • régler les gains des systèmes de contrôle à l'aide de techniques de design de contrôle linéaire, telles que les diagrammes de Bode et les placements de pôles, et de techniques comme le réglage automatique de contrôleurs PID
  • modéliser les modes de démarrage, d'arrêt et d'erreur et concevoir la logique de déclassement et de protection pour assurer le bon fonctionnement
  • Concevoir des algorithmes d'observateur pour estimer la position et la vitesse du rotor
  • optimiser id_ref et iq_ref pour garantir un minimum de pertes de puissance, que le fonctionnement est possible au dessus de la vitesse nominale du rotor et que tout fonctionne correctement sous des incertitudes paramétriques
  • concevoir des algorithmes de conditionnement et de traitement du signal pour les canaux d'E/S
  • exécuter des simulations en boucle fermée du moteur et du contrôleur pour tester les performances système dans des scénarios d'exploitation normaux et anormaux
  • générer automatiquement du code ANSI C, ISO et C optimisé pour le processeur ainsi que du code HDL pour effectuer rapidement le prototypage, les tests HIL (Hardware-in-the-loop) et l'implémentation de production

Field-Oriented Control with Simulink

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