Commande numérique à base de composants FPGA d'une machine synchrone

Les entraînements électriques à vitesse variable ont fait l'objet d'importantes révolutions, notamment dans le cadre de l'amélioration des performances de composants d'électronique de puissance et dans l'utilisation de nouvelles solutions numériques comme support pour l'implantation des algorithmes de commande. Les premières implantations d'algorithmes de commande furent réalisées avec des solutions analogiques. Ces solutions assuraient la réalisation de contrôles ayant une large bande passante vu leur rapidité et leur action en continu. Cependant, elles manquaient de fiabilité à cause de leur sensibilité aux perturbations et aux variations des paramètres de contrôle liées aux contraintes thermiques des circuits analogiques de contrôle. Pour remédier à ces inconvénients, les solutions numériques se sont naturellement imposées. Les premières réalisations numériques d'implantation d'algorithmes de commande de machines électriques ont été effectuées en utilisant les microcontrôleurs, les microprocesseurs et les DSP (Digital Signal Processor). Ces solutions numériques ont permis de résoudre les problèmes liés à l'utilisation des commandes analogiques. Par ailleurs, elles présentaient un grand intérêt économique et une meilleure flexibilité de conception. Cependant, malgré les avantages offerts par ces solutions numériques, certains avantages offerts par les implantations analogiques sont perdus. Cela est principalement dû au fait que la discrétisation et la quantification des algorithmes de commande à implanter, ainsi que les délais de temps de calcul, détériorent les performances de contrôle en termes de rapidité de correction et de résolution de contrôle.

Avec l'avancement technologique dans le domaine de la microélectronique, de nouvelles solutions numériques telles que les FPGA (Field Programmable Gate Array ) ou les ASIC (Application Specific Integrated Circuit ) sont disponibles et peuvent être utilisées comme cibles numériques pour l'implantation des algorithmes de commande. Le parallélisme inhérent de ces nouvelles solutions ainsi que leurs grandes capacités de calcul font que les délais de temps de calcul sont négligeables en dépit de la complexité des algorithmes à implanter. L'utilisation de ces solutions matérielles permet donc de retrouver certaines performances analogiques tout en gardant les avantages des solutions numériques. De plus, ces solutions permettent de répondre aux nouvelles exigences des contrôles modernes. En effet, outre l'amélioration des performances de contrôle à travers la réduction des temps de calcul, le parallélisme des solutions matérielles permet d'intégrer sur une seule et unique cible plusieurs algorithmes qui assurent différentes fonctionnalités et qui peuvent travailler indépendamment les uns des autres. Par ailleurs, par rapport aux solutions numériques standard utilisées dans les entraînements électriques à vitesse variable, les FPGA offrent au concepteur un accès à la partie architecture matérielle, puisque c'est le concepteur lui-même qui assure sa conception. Néanmoins, ce nouveau degré de liberté présente une difficulté de plus pour le concepteur puisque c'est à lui de mettre en œuvre l'architecture de contrôle. Pour ce faire, lors de l'implantation d'algorithmes sur cible FPGA, il est judicieux de se baser sur une approche méthodique plus automatisée et moins intuitive. Cette approche consiste en une méthodologie de développement qui permet de résoudre l'adéquation entre l'algorithme de commande à implanter et son architecture en vue d'effectuer une implantation optimisée en termes de ressources consommées et de temps de calcul, tout en réduisant le temps de développement.

Pour les entraînements électriques à vitesse variable, plusieurs algorithmes de contrôle peuvent être utilisés. Ces algorithmes comportent souvent plusieurs boucles de régulation imbriquées. Il s'agit des boucles de régulation de courant, de vitesse, de position… La boucle de régulation du courant est souvent la plus difficile à implanter car elle constitue généralement la partie la plus complexe et la plus sensible de l'algorithme de commande. Les autres boucles de régulation sont relativement plus simples à implanter. Dans ce dossier, on s'intéresse particulièrement à l'implantation sur cible FPGA de techniques de contrôle du courant les plus couramment utilisées pour la commande d'une machine synchrone. Il s'agit des techniques de contrôle basées sur :

• le contrôle ON/OFF ;

• le contrôle par régulateurs PI.

Dans ce qui suit, l'apport et l'intérêt de l'utilisation des FPGA comme support pour l'implantation de ces techniques de contrôle de courant sont discutés et analysés.