Commande sans capteur mécanique des actionneurs …©, Fonctions de contrôle et de diagnostic Servo-vérins Electriques Commande des gouvernes Sensation artificielle d’effort Electro-pompes

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Groupe « Commande et Diagnostic des Systèmes Electriques » 1

Laboratoire d' Electrotechnique et d' Electronique Industrielle UMR n° 5828

Commande sans capteur mécanique des actionneurs embarqués

M. Fadel1, R. Ruelland1, G. Gateau1, JC. Hapiot1, P. Brodeau2, JP Carayon2

1Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de Toulouse

2Liebherr Aerospace SA

Présentation M. FADEL



Sommaire

Introduction

Les actionneurs embarqués

La commande sans capteurMachines à aimantation sinusoïdaleMachines à aimantation trapézoïdale

Implantation numérique

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Avions « plus électrique », traitement de l’énergie électriqueConvertisseurs Statiques et actionneurs électriques..

Puissance électrique générée

Apports incessants de l’électronique et de l’informatiqueen aéronautique ( civile et militaire ) depuis 50 ans

Localisation, équipements de bord, NavigationCommandes de vol, Viseurs……

Diminution de la charge du piloteAmélioration de la fiabilité, …

Actuellement, efforts importants sur les organes de puissance

Gain en Poids/Volume …mais aussi … fiabilité!



Expansion du marché aérien

Besoins nouveaux en matière d’actionneursActionneurs électriques compétitifs ( faible puissance )

Souplesse d’utilisation, performances intrinsèques, poidsFiabilité, Fonctions de contrôle et de diagnostic

Servo-vérins ElectriquesCommande des gouvernesSensation artificielle d’effortElectro-pompes sur système carburantTraitement de l’airEntrainement de ventilateurs

Machines à aimant grande vitesse 60000 …100000 tr/mn

Avion < 100places …… 20 actionneurs traitement de l’air

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Remplacement des équipements hydrauliques ou pneumatiquesde faible puissance

Identification de pannes, surveillanceDialogue avec les calculateurs, le cockpit

Amélioration de l’activité de maintenance et du travail des pilotes

Vannes électriques de régulation des flux d’airVannes électro-pneumatiques de récupération d’air…..

Tendance actuelle …actionneur de plus forte puissance => 10 kWCompresseur d’airEHA - Electrohydrostatic Actuator….

Contraintes plus fortes en température et en vitesse….. Commande sans capteur mécanique



Commande sans capteur mécaniqueConsigne de vitesse

Machines à fem trapézoïdales

Reconstruction basse résolutionType capteur à effet hall

Consigne de positionMachines à fem sinusoïdales

Reconstruction haute résolutionType 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 )

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Reconstruction de la position du rotor

AutopilotageLien rigide entre Fréquence de rotation et Fréquence d’alimentation

Mesures disponibles:Tensions statoriques ou bien tension Bus DC et Cde OnduleurCourants statoriques ( 2 mesures )Point neutre de la machine?

Modèles machines:Représentation de Park d, qReprésentation de Clarke α, βReprésentation en tension composée ba, ca



Machine sinus Connaissance de position en continu

Estimation de la position

Observation de la position

Observateur des FEMs

Machines trapézoïdales Connaissance discrète

Extension des méthodes sinusObservateur des FEMsHarmonique 3 des fems

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Démarrage

Pré-calage du rotor

Déplacement autoriséCharge nulle au démarrageIncertitude sur le sens de rotation

Localisation du rotor

Simple pour les machine à pôles saillantsPlus difficile pour les pôles lisses



Machine sinus Estimation par intégration du flux

dt

dRsV

dt

dRsV

I

I

βϕ

ββ

αϕαα

+=

+=

oRsVoRsV

βϕβββϕαϕαααϕ

+−=

+−=

∫∫

)I (

)I (fIf

o

ocfo

osrM

23

sin

os

−=

=

ϕθ

θϕ

βϕαϕ

Conditions initiales Pré calage ou Localisation

−

−=

−

−=

ββϕααϕθ

ββϕααϕθ

I L

I L ˆ

I L

I L arctgtg Tabulation

++Indépendance par rapport aux paramètres mécaniques++Faible volume de calcul- - Dépendance par rapport aux paramètres électriques- - Sensible à la condition initiale

Transformation de Concordia

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αααα VL1EL

1ILRI .. . +−−=&

ββββ VL1EL

1ILRI ... +−−=&

)sin(.. ΘΦ= ωαE

)cos(.. ΘΦ−= ωβE

Calculons αE& et βE& )sin(...)sin(.. ΘΦ+ΘΦ= dtd

dtdE ωωωα&

)cos(... )cos(.. ΘΦ−ΘΦ−= dtd

dtdE ωωω

β&

βα ωωαω EE

dtdE . . −=&

αωωβω

β EEdtdE . . +=&

ωω& Evaluation à surveiller

Machine sinus Filtre de Kalman

[ ]βα

β

α

β

α

β

α

β

α

ωωω

ωωω VV

00L10

000L1

EEII

0000

L10L

R0L1

LR

EEII

. .

0 0

+

−

−−

−−

=

&

&&&&&

uBxAx .. +=& xCy .=



Modèle

Machine synchrone( )βα ss vvu ,=Ω

Charge Mécanique

Θ) , ( βα II

)ˆ , ˆ( βα II

+ -

K

) , ( βα εεε=

) , ( βα EE

ε... KuBxAx ++=&

Gain de Kalman

Filtre de Kalman

Minimisation de la moyenne des erreurs quadratiques

Définir les matrices de covariance du bruit de mesure et d’état

7



Filtre de Kalman

++Robustesse par rapport aux variations paramétriques++ Robustesse par rapport bruits de mesure++ Extension au couple de charge aisée - - Volume de calcul important

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 10-3

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

x 10-3

-10

-5

0

5

10

Position

Courant estimé et mesuré αI

/ mntr00030N=



Observateur en régime de glissement

Modèle En ( ?, ?) Filtre

+arctan

Modèle

(α,β) Filtre +

arctan

αI

βI

αE

βE

αI

Θ

αIαV

βV

)(. ελ sign−=Κε.),ˆ(ˆ Ktxfx +=&

++Robustesse++Simplicité- - Exigence de rapidité - - Chattering

/ mntr00060N=

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Observateur par redondance analytique

(2)PIVS1VS2VS3

VS1VS2VS3

+ (2)

+ (3)

VdVdVq

IqIqId

Signe

1/sωr

ωest θest

123

dq

++

θ

IS1IS2tIS3

IS1IS2tIS3

femd1=(Vd-Rs.Id -Ls.p.Id)femq1=(Vq-Rs.Iq -Ls.p.Iq)femd1=(Vd-Rs.Id -Ls.p.Id)femq1=(Vq-Rs.Iq -Ls.p.Iq)

εfemd= femd1- femd2εfemq = femq1- femq2εfemd= femd1- femd2εfemq = femq1- femq2

femd2= -ωr.Ls.Iqfemq2 =ωr.(Ls.Id - Msr.If)femd2= -ωr.Ls.Iqfemq2 =ωr.(Ls.Id - Msr.If)

(2)

Modèle dans le repère diphasé (d,q)

(1)(1)

⋅+

+⋅⋅−+

=

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rKeIqId

Ls.pRsLsrLsrLs.pRs

VqVd ω

ωω

θωε ∆−= ..Kerfemd

estestest

est IdLskeIqLspRsVqq .

)..()( ++−=ω ωréel

θréel

≅≅

Bonne estimation

Vq

eq

ed

θ1

Vd+∆Vd

q

d

(Rs+∆R)

Ls.dI/dt

Rs.I

ωr

Ls.dI/dt

θ2

CorrectRotationZone

Wrong zone

+π/4



Iref+

-PI (Ω) PWM M.SInverter

Observer

IS1IS2IS3 V

S1V

S2V

S3

Ωestimé

θestimé

Time (s)Time (s)

Desired position

Real position

++Simple++Faible Vol. calcul-- Calcul Régulateur

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Changement de variable

Observateur par redondance analytique avec MRAS

Pôles lisses

Hyperstabilité au sens de POPOV



Machine trapèze

T1

T2

T3

T4

T5

T6

240°120°

60°

T2

T5 T6T4

T1 T3

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Utilisation du modèle ba-ca ( tensions composées )

babababa ULELILR

dtId ⋅+⋅−⋅−= 11ˆˆ

),('ˆ tXfdtEd ba =

Mesure baU

baI

0),('ˆ == tXfdtEd ba

caEbaE caE

baE

bcE

aEbEcE

IntersectionsInter

sections)30(ˆ °θ

Echantillonnage rapide!

Tabulation

)()()()(

)()()()(

θθ

θθ

acac

cycacca

abab

cycabba

EEdtIIdLIIRsV

EEdtIIdLIIRsV

−+−

⋅+−⋅=

−+−

⋅+−⋅=

X = (Iba, Eba, Ica, Eca )



Reconstruction de la Fem et détection du passage par zéro

dtdIM

dtdIM

dtdILEIRV

dtdIM

dtdIM

dtdILEIRV

dtdIM

dtdIM

dtdILEIRV

3.1.3.333.13

3.1.2.222.12

3.2.1.111.11

++++=

++++=

++++=

IiVi, Ei

Observation indirecte

132 III −=+dt

dIMLIRVE

dtdIMLIRVE

dtdIMLIRVE

3).(3.133

2).(2.222

1).(1.111

−−−=

−−−=

−−−=

Dérivation du courant !!

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Utilisation d'un transformateur série

dtdIM

dtdILIRV 1.2.22.22 ++=

2V

1V

1I

2I

02 =IdtdIMV 1.2 =



Extraction de l'harmonique 3 des FEMs

dtdIM

dtdIM

dtdILEIRV

dtdIM

dtdIM

dtdILEIRV

dtdIM

dtdIM

dtdILEIRV

3.1.3.333.13

3.1.2.222.12

3.2.1.111.11

++++=

++++=

++++=

03I2I1I =++

321321 EEEVVV ++=++

03Idtd2Idt

d1Idtd =++

3E2E1E ++60°

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Détection du passage par 0 et synchronisation



Algorithmes

Micro-processeurs

DSP, µcontrôleurs

ComposantsLogiques

ProgrammablesFPGA, EPLD

Capacité d’intégration

Evolutions Technologiques

Implantation Numérique de la commande

Les Composants de l’électronique numérique

Détection de passage par zéro de la Σfem

Détection de passage par zéro de la Σfem

Filtre de Kalman en

(α,β)

Filtre de Kalman en

(α,β)

Compléxité

Régime GlissantRégime Glissant

……

…… µp

C L PContraintesTemporelles

Les fonctions à réaliser:

Observation de position

Vitesse de calcul

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?

µP :DSP, µ contrôleurs

CLP :FPGA, EPLD


Peu de composants certifiés

composants+coûteux

Vitesse de calcul

Associationµp + CLP

Répartition des Tâches ??

Vitesse de calcul


CLP :FPGA, EPLD

µP :DSP, µ contrôleurs

Prises en compte des contraintes

FPGADSP

FPGAFPGADSPDSP

ProportionnelIntégral

Algorithmenon linéaire Observateur

MLI

?FPGAFPGA

DSPDSPFPGAFPGA

DSPDSP

ProportionnelIntégral

Algorithmenon linéaire Observateur

MLI

?



Spécifications FonctionnellesSpécifications Fonctionnelles

Syntheses LogicielleSyntheses Logicielle

Co-simulationÉvaluation des performances

Co-simulationÉvaluation des performances

Choix d’une Architecture

Choix d’une Architecture

Répartition des tâches entre le logiciel et le matériel

Répartition des tâches entre le logiciel et le matériel

AvantagesAvantages :

Prototype MatérielIntégration et évaluation

des performances

Prototype MatérielIntégration et évaluation

des performances

• Test de différents partitionnement possibles

• Test des formats de codage• Estimation du temps de réponse• Fiabilité du code implanté

Synthèse MatérielleSynthèse Matérielle

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2 CANs Rapides (Freq max 40MHz)

DSP

ADC 4 voies6MSPS

ADC 4 voies6MSPS

FPGAFPGA

DAC2 voies

DAC2 voies

EPC2(Flash)EPC2(Flash)

BUFFER

BUFFER

BUFFER

BUFFER

24

24

XDS510 Port // PCI

ADC 4 voies6MSPS

ADC 4 voies6MSPS

DAC2 voies

DAC2 voies

ADC rapides1 voie

40MSPS

ADC rapides1 voie

40MSPS

ADCrapides

1 voie40MSPS

ADCrapides

1 voie40MSPS

MPAB-LEEI

RS232

48 Entrées/Sorties

Numériques (MLI, Bus)

Liaison directe avec le FPGA

2 CNAs (aide au déboguageou lien vers système

analogique)

2 CANs (4 voies) à fmax=6MHz

FPGA Acex1K100 (100000 portes éq)

DSP Texas Instruments (TMS320C6X) 150MHz

Validation des algorithmes à l’aide d’une carte de commande versatile



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 ! ! !

Documents

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