Introduction à la commande numérique des machines électriques

Durant ces dernières années, la commande des machines électriques a subi des progrès significatifs. Ces progrès sont essentiellement dus à la révolution technologique en électronique numérique, ce qui a permis le développement de solutions numériques efficaces avec une possibilité d'implanter des algorithmes plus complexes. Les premières implantations d'algorithmes de commande de machines électriques furent réalisées avec des solutions analogiques. Ces solutions assuraient la réalisation de contrôles ayant une large bande passante et une haute résolution. Cependant, elles manquaient de fiabilité, vu leur sensibilité aux perturbations et aux variations de paramètres de contrôle liées aux contraintes thermiques des circuits analogiques de contrôle. Par la suite, les solutions numériques se sont naturellement imposées afin de remédier à ces inconvénients. De nos jours, les implantations numériques sont en majorité basées sur les microprocesseurs et les DSP (Digital Signal Processor). Ces solutions numériques sont équipées d'unités arithmétiques et logiques ALU (Arithmetic Logic Unit) dédiées à la réalisation des calculs arithmétiques et logiques des algorithmes de commandes. Elles intègrent également des périphériques tels que les convertisseurs analogiques/numériques et les « timers » bien adaptés aux besoins de commande de machines électriques. Leur utilisation a 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. Il est à noter aussi que ces solutions numériques sont des solutions purement logicielles. En effet, les conceptions qui leurs sont associées sont conçues en utilisant des architectures prédéfinies. Le concepteur ne peut donc pas agir sur la partie matérielle de la conception et n'a accès qu'à la partie logicielle. D'un autre côté, 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.

Les nouvelles solutions numériques matérielles telles que les FPGA (Field Programmable Gate Array) ou les ASIC (Application Specific Integrated Circuit) peuvent aussi être considérées comme des solutions appropriées afin d'améliorer les performances de contrôle et de retrouver certains avantages de commandes analogiques [D 2 902]. Le parallélisme inhérent de ces nouvelles solutions numériques, 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. Par ailleurs, par rapport aux solutions logicielles, les solutions matérielles offrent au concepteur un accès à la partie architecture matérielle, puisque c'est lui-même qui en assure la conception. Ce nouveau degré de liberté s'est avéré bénéfique dans le domaine de commande de machines électriques puisqu'il permet de concevoir des architectures spécifiques et bien adaptées aux besoins algorithmiques de la commande.

La commande numérique se situe donc à la rencontre de diverses technologies pouvant êtres utilisées pour l'implantation des algorithmes de commande. Par conséquent, il est utile de connaître les avantages et inconvénients de chacune d'elles. Nous cherchons donc à préciser dans ce dossier les caractéristiques de chaque solution numérique, et ce, à travers d'exemples illustratifs en dégageant des diagrammes temporels qui décrivent au mieux l'enchaînement des tâches de contrôle. Pour cela, nous présentons tout d'abord l'évolution des commandes de machines électriques en spécifiant les avantages et les inconvénients de chaque technologie numérique. Ensuite, nous développons particulièrement la réalisation numérique du processus de modulation de largeur d'impulsion (MLI) ainsi que la commande en vitesse d'une machine synchrone.