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

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

Diminution de la charge du pilote Amélioration de la fiabilité, … 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!

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

Contraintes plus fortes en température et en vitesse 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

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 )

Reconstruction de la position du rotor Autopilotage 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

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

Charge nulle au démarrage Incertitude sur le sens de rotation 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

Pré calage ou Localisation 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

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

Minimisation de la moyenne des erreurs quadratiques 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

Courant estimé et mesuré 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

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

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

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

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

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

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

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

Utilisation d'un transformateur série

Extraction de l'harmonique 3 des FEMs 60°

Détection du passage par 0 et synchronisation

C L P p Implantation Numérique de la commande Vitesse de calcul Les Composants de l’électronique numérique Composants Logiques Programmables FPGA, EPLD Evolutions Technologiques C L P Contraintes Temporelles 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

Prises en compte des contraintes 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

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

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

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 ! ! !