Électronique de puissanceÉnergie

Électronique de puissance et FOC

De l’électronique de puissance à découpage brute au couple lisse : un hacheur abaisseur (buck) à MLI et son modèle moyenné, la machine PMSM en repère dq, la commande vectorielle (FOC) découplant couple et flux, la MLI porteuse, une boucle de vitesse en cascade, et le désexcitation de flux — la couche onduleur et régulation sous une chaîne de traction EV.

DjiniousLabModélisation et simulation

Une commande de couple en régulation vectorielle suivie avec précision tandis que le courant de flux reste fixé à zéro — un contrôle de couple découplé

erreur de régulation de tension de sortie du hacheur: 0.034%erreur de régulation de tension de sortie du hacheur
courant de flux sous un échelon de couple FOC: 0,0 Acourant de flux sous un échelon de couple FOC
rendement nominal de l’entraînement: 96.0%rendement nominal de l’entraînement
résidu de vitesse après un échelon de charge: 0.285%résidu de vitesse après un échelon de charge
notebooks de conception: 10notebooks de conception
exigences RÉUSSI: 5 / 5exigences RÉUSSI

Un moteur commute à 20 kHz. La régulation doit en faire quelque chose de lisse.

L’électronique de puissance est brutale à la base et élégante au sommet. À la base, un convertisseur hache le courant continu des milliers de fois par seconde et un moteur n’est qu’un enchevêtrement de courants triphasés couplés entre eux. Au sommet, la commande vectorielle (FOC) transforme cela en deux réglages propres — couple et flux — que l’on peut commander indépendamment. Ce programme parcourt toute la pile : le convertisseur à découpage, le modèle moyenné sur lequel on conçoit, la machine en repère dq, la FOC qui la découple, la MLI qui la réalise, et la boucle de vitesse en cascade qui entraîne une charge.

Tout commence par un signal carré.

Un hacheur abaisseur régule la tension par découpage — pleinement ouvert, pleinement fermé, des milliers de fois par seconde — en laissant une inductance et un condensateur moyenner le résultat. La simulation à découpage montre la réalité : une ondulation triangulaire de courant d’inductance superposée au continu, et une sortie qui se stabilise sur sa consigne à 0,034 % près. C’est la matière première ; chaque grandeur lisse en amont n’est que la moyenne contrôlée de quelque chose qui, en réalité, découpe.

L’ondulation triangulaire du courant d’inductance d’un hacheur abaisseur à découpage et sa tension de sortie régulée se stabilisant à 12 V — Le hacheur à découpage : le courant d’inductance ondule en dents de scie triangulaires à la fréquence de découpage (en haut) tandis que la tension de sortie se régule à 12 V à 0,034 % près (en bas). L’ondulation est réelle et omniprésente — la régulation est l’art d’en tirer une moyenne lisse.

Les courants d’un moteur triphasé se battent entre eux.

Transformez la machine dans le repère tournant dq et un moteur triphasé en rotation devient deux courants : id (flux) et iq (couple). Mais ils sont couplés entre eux — commandez une tension productrice de couple et le courant de flux s’en trouve entraîné, et vice versa. En boucle ouverte, un échelon sur un axe perturbe l’autre de plusieurs ampères. On ne peut pas régler le couple indépendamment sans d’abord démêler ce couplage.

Un PMSM en boucle ouverte où un échelon de tension sur l’axe de couple perturbe le courant de flux — le couplage croisé — Le problème du couplage croisé : dans la machine dq en boucle ouverte, un échelon sur l’axe de couple (q) entraîne le courant de flux (d) de plusieurs ampères. Les deux axes sont emmêlés — ce qu’est précisément la commande vectorielle censée corriger.

Sous FOC, le courant de couple suit son échelon de commande avec précision tandis que le courant de flux reste fixé à zéro — La pièce maîtresse — la commande vectorielle : avec la bonne transformée et une anticipation de découplage, le courant de couple (iq) suit son échelon de commande avec précision (erreur de 0,74 %) tandis que le courant de flux (id) reste fixé à zéro. Deux réglages découplés extraits d’une machine triphasée emmêlée — c’est ce qui rend un moteur commandable.

Retraduire la commande de tension en découpage.

Le régulateur calcule une tension dq lisse ; l’onduleur ne peut que commuter. Le Park inverse combiné à la MLI porteuse transforme la commande en tensions de bras réellement marche/arrêt, et l’inductance du moteur les moyenne à nouveau en un courant de phase quasi sinusoïdal. Le courant lisse supposé par le régulateur et la tension hachée délivrée par le matériel sont deux vues d’une même chose — la MLI est le pont entre les deux.

Une tension de bras triphasée à découpage produisant un courant de phase quasi sinusoïdal à travers l’inductance du moteur — MLI porteuse : la tension de bras à découpage de l’onduleur (en haut, ±Vdc) est ce que le matériel applique réellement ; l’inductance du moteur la moyenne en le courant de phase quasi sinusoïdal supposé par la conception de la régulation (en bas). Du carré en entrée, du sinus en sortie.

Envelopper le couple d’une boucle de vitesse.

La régulation de couple est la boucle interne ; un entraînement réel commande la vitesse. Une cascade ajoute une boucle de vitesse PI externe qui demande à la boucle de couple FOC exactement le couple nécessaire — de sorte que le moteur suit une référence de vitesse et absorbe une perturbation de couple de charge (un échelon de 3 N·m se rétablit à un résidu de 0,285 %). Au-delà de la vitesse de base, la désexcitation de flux rend le courant de flux négatif pour échanger du couple contre de la plage de vitesse, étendant la vitesse utilisable bien au-delà de là où un entraînement à flux fixe s’arrête — à un rendement nominal de 96 %.

Une boucle de vitesse en cascade suivant une référence de vitesse et rejetant une perturbation en échelon de couple de charge — La boucle de vitesse en cascade : un PI de vitesse externe commande la boucle de couple FOC, suivant la référence de vitesse et rejetant un échelon de charge de 3 N·m jusqu’à un résidu de 0,285 %. Boucle de couple interne, boucle de vitesse externe — l’architecture standard d’un entraînement, construite depuis la couche de découpage.

Chaque valeur re-dérivée au moment de la validation finale.

Le notebook V&V reconstruit le convertisseur, la machine et les régulateurs depuis zéro et re-dérive les exigences, en affichant un tableau RÉUSSI/ÉCHEC.

Résultat

Régulation de sortie du hacheur : 0,034 %
Fidélité du modèle moyenné : 0,257 V RMS
Découplage FOC sur échelon de couple : iq 0,74 % / id 0 A
Rejet de charge de la boucle de vitesse : 0,285 %
Rendement nominal : 96,0 %

Exigence

Régulation de sortie du hacheur : R-01 < 2 %
Fidélité du modèle moyenné : R-02 < 0,5 V
Découplage FOC sur échelon de couple : R-03
Rejet de charge de la boucle de vitesse : R-04 < 2 %
Rendement nominal : R-05 > 88 %

Interrupteurs idéaux, régulation réelle.

Le livrable est dix notebooks et le dossier — les modèles sont des EDO à découpage avec callbacks, pas un réseau acausal. Les interrupteurs sont idéalisés (pas de physique de conduction/pertes de commutation au niveau composant au-delà d’un modèle localisé), le modèle thermique est localisé, les capteurs sont idéaux sans délai d’estimation, et la MLI est porteuse/sinusoïdale plutôt qu’une MLI vectorielle complète avec temps mort ; le découplage FOC exact est facilité par le fait que la machine est à pôles lisses. Ce que le programme livre bel et bien, c’est la pile d’entraînement complète — convertisseur, moyennage, machine dq, FOC, MLI, régulation de vitesse en cascade, désexcitation de flux — sur des chiffres reproductibles, la couche onduleur et régulation un niveau en dessous du programme phare véhicule EV.