Modèles mathématiques pour les convertisseurs alimentant des machines
Commande numérique des machines - Évolution des commandes

L’article Commande numérique des ensembles convertisseurs- machines fait l’objet de trois articles :

• [D 3 640] Évolution des commandes

• Commande numérique- Convertisseur-moteur à courant continu Moteur à courant continu

• Commande numérique des machines- Systèmes triphasés : régime permanent Système triphasé

et les sujets traités ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres articles.

La commande des machines électriques a subi deux importantes révolutions : la montée en puissance des composants de l’électronique de puissance et le développement des organes numériques programmés, microprocesseurs et microcontrôleurs. La commande numérique des machines promet des progrès considérables dans la qualité des performances obtenues, tout en posant des problèmes particuliers qui exigent des solutions spécifiques. Cet article essaie de donner une synthèse de ces problèmes à partir de quelques exemples caractéristiques.

Les problèmes posés par la technologie analogique (dérives, stabilité à long terme, difficultés dans la réalisation de fonctions comme les lignes trigonométriques) ont poussé au passage à la technologie numérique au cours des années soixante-dix. L’apparition de microprocesseurs puissants pendant les années quatre-vingt a permis l’émergence d’une nouvelle famille de commandes, le contrôle vectoriel, qui donne aux machines à courant alternatif des performances dynamiques comparables à celles des machines à courant continu. Ces techniques ont également permis l’implantation de commandes optimisées (en termes d’élimination des harmoniques) des onduleurs à modulation de largeur des impulsions. De façon générale, la technologie numérique autorise l’implantation pratique d’algorithmes et de fonctions beaucoup plus complexes que ce que tolèrent les technologies analogiques.

Si la technologie numérique a permis le développement de performances intrinsèques, elle a aussi apporté des avantages industriels décisifs. Le même organe numérique peut se charger des relations avec l’opérateur humain, prendre en charge les séquences d’arrêt-marche et l’autodiagnostic ; toutes ces fonctions complexes nécessitent pratiquement le recours à des organes numériques. Elle permet aussi des économies lors des réalisations en autorisant des standardisations : le même microprocesseur, avec la même architecture matérielle, rend possible toutes sortes d’applications ; il suffit de changer le contenu des mémoires. Enfin, les commandes numériques, grâce aux progrès des circuits intégrés, permettent des réalisations d’une grande complexité dans un volume d’une remarquable compacité.

La commande numérique a cependant de nombreuses exigences : l’établissement des algorithmes de commande réclame le plus souvent une bonne connaissance du processus à piloter et de son modèle mathématique (fonction de transfert, équation d’état), une bonne connaissance des méthodes de l’automatique (régulation de type continu, de type échantillonné, retour d’état, commande optimale, robustesse) et du traitement du signal (pour un bon usage des signaux fournis par les capteurs). La réalisation exige une maîtrise parfaite de l’implantation matérielle ; les signaux ont des fréquences élevées et une certaine sensibilité subsiste vis-à-vis des parasites transmis ou rayonnés en ambiance industrielle difficile. Enfin, la commande en temps réel de processus complexes et rapides demande un grand soin dans l’écriture des programmes ; l’informatique (dans sa version « temps réel » est exploitée à fond.

La commande numérique des actionneurs électriques se situe donc à la rencontre d’un grand nombre de sciences et de technologies. Par conséquent, elle pose des problèmes spécifiques que nous allons présenter en insistant sur la nécessité d’une bonne structuration du dispositif, structuration que nous emprunterons à la théorie des systèmes. Nous chercherons donc à établir les modèles dynamiques (fonction de transfert, équations d’état), à dégager les diagrammes temporels qui décrivent l’enchaînement des tâches et à en déduire les architectures informatiques qui permettent de réaliser ces commandes.

Pour cela, nous exposerons d’abord la problématique générale de la commande numérique en l’illustrant de quelques exemples caractéristiques [D 3 640]. Ensuite, nous développerons particulièrement les applications à la commande des moteurs à courant continu Commande numérique- Convertisseur-moteur à courant continu pour deux raisons :

• d’abord, parce que cet exemple reste simple et que les questions peuvent y être traitées de façon détaillée ;

• aussi, parce qu’elles sont souvent transposées et réutilisées pour la commande de machines à courant alternatif.

Puis, nous traiterons des questions spécifiques aux actionneurs triphasés Commande numérique des machines- Systèmes triphasés : régime permanent, convertisseurs statiques et machines tournantes.