Commande sans capteur mécanique des actionneurs embarqués

1. Commande sans capteur mécanique des actionneurs embarqués M. Fadel1, R. Ruelland1, G. Gateau1, JC. Hapiot1, P. Brodeau2, JP Carayon2 Présentation M. FADEL 1Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de Toulouse 2Liebherr Aerospace SA

2. Sommaire Introduction Les actionneurs embarqués La commande sans capteur Machines à aimantation sinusoïdale Machines à aimantation trapézoïdale Implantation numérique

3. Apports incessants de l’électronique et de l’informatique en aéronautique ( civile et militaire ) depuis 50 ans Localisation, équipements de bord, Navigation Commandes de vol, Viseurs…… Diminution de la charge du pilote Amélioration de la fiabilité, … Actuellement, efforts importants sur les organes de puissance Avions « plus électrique », traitement de l’énergie électrique Convertisseurs Statiques et actionneurs électriques.. Puissance électrique générée Gain en Poids/Volume …mais aussi … fiabilité!

4. Expansion du marché aérien Besoins nouveaux en matière d’actionneurs Actionneurs électriques compétitifs ( faible puissance ) Souplesse d’utilisation, performances intrinsèques, poids Fiabilité, Fonctions de contrôle et de diagnostic Servo-vérins Electriques Commande des gouvernes Sensation artificielle d’effort Electro-pompes sur système carburant Traitement de l’air Entrainement de ventilateurs Avion < 100places …… 20 actionneurs traitement de l’air Machines à aimant grande vitesse 60000 …100000 tr/mn

5. Remplacement des équipements hydrauliques ou pneumatiques de faible puissance Amélioration de l’activité de maintenance et du travail des pilotes Identification de pannes, surveillance Dialogue avec les calculateurs, le cockpit Vannes électriques de régulation des flux d’air Vannes électro-pneumatiques de récupération d’air ….. Tendance actuelle …actionneur de plus forte puissance => 10 kW Compresseur d’air EHA - Electrohydrostatic Actuator …. Contraintes plus fortes en température et en vitesse ….. Commande sans capteur mécanique

6. Commande sans capteur mécanique Consigne de vitesse Machines à fem trapézoïdales Reconstruction basse résolution Type capteur à effet hall Consigne de position Machines à fem sinusoïdales Reconstruction haute résolution Type Resolver Faible inductance cyclique et fréquence de commutation ! Montée en vitesse, limite de tension et défluxage si possible … Démarrage Localisation du rotor ou pré calage Caractéristique de la charge ( couple au démarrage ) Type de rotor ( pôles lisses ou saillants )

7. Autopilotage Reconstruction de la position du rotor Lien rigide entre Fréquence de rotation et Fréquence d’alimentation Mesures disponibles: Tensions statoriques ou bien tension Bus DC et Cde Onduleur Courants statoriques ( 2 mesures ) Point neutre de la machine? Modèles machines: Représentation de Park d, q Représentation de Clarke a, b Représentation en tension composée ba, ca

8. Connaissance de position en continu Machine sinus Estimation de la position Observation de la position Observateur des FEMs Connaissance discrète Machines trapézoïdales Extension des méthodes sinus Observateur des FEMs Harmonique 3 des fems

9. Démarrage Pré-calage du rotor Déplacement autorisé Charge nulle au démarrage Incertitude sur le sens de rotation Localisation du rotor Simple pour les machine à pôles saillants Plus difficile pour les pôles lisses

10. Machine sinus Estimation par intégration du flux Transformation de Concordia Tabulation Conditions initiales Pré calage ou Localisation ++Indépendance par rapport aux paramètres mécaniques ++Faible volume de calcul - - Dépendance par rapport aux paramètres électriques - - Sensible à la condition initiale

11. Machine sinus Filtre de Kalman et Calculons Evaluation à surveiller

12. Charge Mécanique Filtre de Kalman Machine synchrone Modèle - + K Gain de Kalman Minimisation de la moyenne des erreurs quadratiques Définir les matrices de covariance du bruit de mesure et d’état

13. Filtre de Kalman Courant estimé et mesuré Position ++Robustesse par rapport aux variations paramétriques ++ Robustesse par rapport bruits de mesure ++ Extension au couple de charge aisée - - Volume de calcul important

14. Modèle Modèle ? ? En ( , ) (a,b) Filtre Filtre + + arctan arctan Observateur en régime de glissement ++Robustesse ++Simplicité - - Exigence de rapidité - - Chattering

15. p + /4 Wrong zone Correct Rotation Zone femd1=(Vd-Rs.Id -Ls.p.Id) femq1=(Vq-Rs.Iq -Ls.p.Iq) femd2= -r.Ls.Iq femq2 =r.(Ls.Id - Msr.If) réel réel femd= femd1- femd2 femq = femq1- femq2 Observateur par redondance analytique Modèle dans le repère diphasé (d,q) w r q + - × ω é Vd ù é Rs p . Ls r Ls ù é Id ù é 0 ù (1) = + × ω Ke r ê ú ê ú ê ú ê ú Ls . dI / dt × + ω Vq r Ls Rs p . Ls Iq 1 ë û ë û ë û ë û D ( Rs + R) Ls . dI / dt Vq eq Rs .I q 2 q 1 d D Vd Vd ed + (2) Bonne estimation   VS1 VS2 VS3 Vd PI 1 2 3 (2) Vq + (2) est est + 1/s + Id IS1 IS2t IS3 r + (3) dq Iq  Signe

16. Iref PI () M.S Inverter PWM + - IS1 IS2 VS1 VS3 VS2 IS3 estimé Observer estimé • ++Simple • ++Faible Vol. calcul • - Calcul Régulateur Real position Desired position Time (s) Time (s)

17. Observateur par redondance analytique avec MRAS Pôles lisses Changement de variable Hyperstabilité au sens de POPOV

18. T1 T2 T3 240° 120° T1 T2 T4 T5 T6 T3 60° T4 T5 T6 Machine trapèze

19. Intersections Utilisation du modèle ba-ca ( tensions composées ) Mesure Echantillonnage rapide! X = (Iba, Eba, Ica, Eca ) Tabulation

20. Reconstruction de la Fem et détection du passage par zéro Observation indirecte Dérivation du courant !!

21. Utilisation d'un transformateur série

22. Extraction de l'harmonique 3 des FEMs 60°

23. Détection du passage par 0 et synchronisation

24. Implantation Numérique de la commande Vitesse de calcul Les Composants de l’électronique numérique Composants Logiques Programmables FPGA, EPLD Evolutions Technologiques C L P ContraintesTemporelles Micro-processeurs DSP, contrôleurs Détection de passage par zéro de la fem Régime Glissant … Capacité d’intégration … p Filtre de Kalman en (,) Les fonctions à réaliser: Observation de position Algorithmes Compléxité

25. Vitesse de calcul CLP : FPGA, EPLD ? Prises en compte des contraintes Peu de composants certifiés µP : DSP,  contrôleurs composants+coûteux Capacité d’intégration Vitesse de calcul Associationp + CLP CLP : FPGA, EPLD Répartition des Tâches ?? µP : DSP,  contrôleurs Capacité d’intégration

26. Choix d’une Architecture Spécifications Fonctionnelles Avantages : • Test de différents partitionnement possibles Répartition des tâches entre le logiciel et le matériel Synthèse Matérielle Syntheses Logicielle • Test des formats de codage • Estimation du temps de réponse • Fiabilité du code implanté Co-simulation Évaluation des performances Prototype Matériel Intégration et évaluation des performances

27. FPGA Acex1K100 (100000 portes éq) Liaison directe avec le FPGA 48 Entrées/Sorties Numériques (MLI, Bus) DSP Texas Instruments (TMS320C6X) 150MHz 2 CANs (4 voies) à fmax=6MHz 2 CNAs (aide au déboguage ou lien vers système analogique) Validation des algorithmes à l’aide d’une carte de commande versatile 2 CANs Rapides (Freq max 40MHz)

28. Conclusion Diverses solutions pour la commande sans capteur de position Précalage ou localisation Reconstruction haute ou basse résolution ( type de machine ) Régime de fonctionnement (vitesse max) Variations paramétriques en présence ( robustesse ) Moyens de réalisation Fiabilité ! ! !