Émulation d’un moteur synchrone à aimants permanents

Simulateur temps-réel

Un simulateur est un support informatique permettant de reproduire de façon virtuelle des phénomènes ou des systèmes physiques. Les simulations y sont définies à partir des équations mathématiques utilisées pour modéliser le système. Les réponses obtenues sont ainsi tributaires de la précision du modèle, de l’algorithme utilisé pour résoudre les systèmes d’équations et du pas de calcul. À l’instar de simulations purement logicielles, les simulations temps-réel sont caractérisées par un synchronisme avec le temps réel et la présence d’entrées et de sorties analogiques et numériques, ce qui permet d’interfacer ce système avec des composants réels. Ce type de système utilise des algorithmes de résolution mathématique développés afin d’obtenir un pas de calcul fixe. Il est donc préférable d’y minimiser les interpolations mathématiques utilisées normalement dans les simulations hors ligne puisqu’ils ne sont pas en mesure de garantir le temps de simulation de chaque pas de calcul. La priorité est ainsi donnée à la résolution directe, sans interpolation, d’équations mathématiques discrètes implémentées sur support électronique. Les simulateurs temps-réel sont aujourd’hui composés de dispositifs appelés Field-Programmable Gate Array (FPGA), un circuit intégré reconfigurable permettant l’implémentation de logiques complexes en parallèle, ainsi que de processeurs à usage général (référés ci-après sous le nom CPU) utilisés en conjonction. L’objectif de ces plateformes est de simuler des systèmes physiques avec des pas de calcul beaucoup plus petits que les constantes de temps naturelles du système modélisé, dans l’ordre de quelques pourcents, afin d’obtenir une bonne précision sur les phénomènes transitoires. Quoique certains systèmes puissent s’avérer très lents, tels les systèmes thermiques, lorsque nous simulons des systèmes électriques, ceux-ci doivent être simulés le plus rapidement possible afin de bien rendre compte de l’ensemble des phénomènes transitoires. De nos jours, grâce à l’implémentation de modèles sur FPGA, il est possible de simuler des systèmes temps-réel avec des pas de calcul de l’ordre de 150 ns.

Hardware-In-the-Loop

Les simulations de type HIL sont toujours constituées d’un simulateur temps-réel et d’un système réel, tel un contrôleur externe ou un dispositif de protection, pour ne donner que deux exemples. Cette méthode, utilisée par maintes industries dans les phases de conception, de prototypage et de test, a pour but d’interfacer un simulateur temps-réel avec des composants physiques par l’intermédiaire de signaux analogiques, ou numériques, de faible puissance. Vulgairement, le simulateur trompe les composants réels en émulant le comportement d’un système réel.
Prenons l’exemple de tests de validation effectués sur un contrôleur de voiture. L’objectif est de tester l’équipement sous diverses conditions, normales ou anormales, tel lors d’une faute quelconque. La partie simulée est ainsi l’électronique de puissance, le moteur, les divers capteurs et le modèle mécanique du véhicule. La partie réelle est l’unité de contrôle électrique (ECU). En premier lieu, les connexions appropriées sont faites afin de connecter les sorties et entrées de l’ECU au simulateur, soit les signaux de commande dédiés à l’électronique de puissance et les divers signaux des capteurs, tels les encodeurs, les capteurs de tension et de courant. Ces signaux sont envoyés à l’ECU par l’intermédiaire de convertisseurs numériques/analogiques et analogiques/numériques comme si un système réel y était connecté.

Power Hardware-In-the-Loop

Le PHIL introduit la notion de puissance réelle dans les systèmes HIL. En fait, ils sont pratiquement identiques si nous négligeons cet aspect. Il ne fait qu’introduire un autre élément dans la boucle permettant le transfert de puissance, un amplificateur dans la majeure partie des cas. Bien que ce type de système offre aussi la possibilité d’utiliser des signaux de faibles puissances puisqu’il contient les mêmes éléments que le HIL, les systèmes PHIL sont utilisés pour tester des systèmes soumis à des contraintes réels. D’une certaine mesure, ce type de simulation est complémentaire au HIL, quoiqu’il puisse s’avérer moins précis que les simulations de type HIL dû aux erreurs engendrées par les divers capteurs et convertisseurs. Les systèmes PHIL bien calibrés permettent tout de même d’obtenir des résultats d’une précision largement acceptable. Reprenons l’exemple précédent du contrôleur automobile. Les éléments d’électronique de puissance, les IGBT par exemple, sont simulés à l’aide d’un modèle simplifié et les modèles actuels ne permettent pas de valider les composants d’électronique de puissance dans leur totalité . En fait, les modèles temps-réel ne rendent pas compte des phénomènes transitoires rapides, des pertes et de la variation température. Il en est de même pour les dispositifs de protection, bien qu’on teste la logique de la protection en HIL, nous ne testons pas le système avec ses vrais capteurs, soit les transformateurs de tension et de courant. Les systèmes PHIL permettent ainsi de tester des systèmes avec moins de restrictions et de faire abstraction de la période de modélisation et de paramétrage de certains équipements. Ce type de système peut s’avérer utile afin de réduire les coûts reliés au temps de conception pour une entreprise. Prenons l’exemple d’un système embarqué pour le contrôle de machine électrique. La simulation de type PHIL permet non seulement de tester plusieurs types de machines avec divers paramètres sans avoir tous les moteurs à portée de main, mais elle permet aussi de réaliser des fautes qui risqueraient autrement d’endommager l’équipement réel.

Émulation de moteur avec source de courant

Le premier point à considérer est le mode d’utilisation des amplificateurs. En fait, les divers outils de simulation tels MA TLAB®, Simulink®, SPSTM résolvent directement les équations d’ état des moteurs. Ces systèmes d’équations permettent d’ obtenir le courant circulant dans chacune des phases du moteur, ou de la génératrice, en fonction de la tension d’ entrée, de l’impédance, de la vitesse et du flux ou de la FEM.
Afin de coupler les systèmes moteurs à des dispositifs d’électronique de puissance, ou des charges, les outils de simulation utilisent des sources de courant afin de coupler les équations des moteurs aux autres systèmes. La première option fut d’utiliser les amplificateurs en mode courant. Elle est l’approche la plus simple et la moins contraignante. Ainsi, il devrait être possible d’utiliser tous les paramètres de moteur voulus sans limitation à l’ exception des limitations en courant et tension de l’amplificateur. Les tests préliminaires d’une telle configuration, soit en utilisant simplement un amplificateur en mode courant connecté à un onduleur, ont démontré que cette solution possédait des limites importantes. En fait, lorsque nous cherchons à maintenir un courant continu ou encore nul en sortie de l’amplificateur nous avons observé des dépassements sur les montées et descentes des impulsions.

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Table des matières

Chapitre 1 – Introduction
Chapitre 2 – Les systèmes PHIL
2.1 Simulateur temps-réel
2.2 Hardware-In-the-Loop
2.3 Power Hardware-In-the-Loop
2.3.1 Précision et stabilité des systèmes PHIL
2.3.2 Analyse de stabilité des systèmes PHIL
2.4 Conclusion
Chapitre 3 – Modélisation des machines synchrones à aimants permanents 
3.1 Modélisation de la MSAP à FEM sinusoïdale
3.2 Modélisation de la MSAP à FEM trapézoïdale
3.3 Modélisation de la MSAP générale dans le domaine temporel
3.4 Conclusion
Chapitre 4 – Contrôle de MSAP 
4.1 Contrôle à orientation de flux
4.2 Contrôle six-step
Chapitre 5 – Émulation de la MSAP 
5.1 Émulation de moteur avec source de courant
5.1 Émulation de moteur avec source de tension
5.2 Émulation de moteur
5.3 Simulation de la MSAP
5.4 Simulation BLDC
5.5 Résultats expérimentaux
5.6 Conclusion
Chapitre 6 – Conclusion 
Références

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