Contrôle direct de couple : DTC
Machines asynchrones - Commande par contrôle direct de couple

La machine asynchrone, en raison de son faible coût et de sa robustesse, constitue actuellement la machine la plus utilisée pour réaliser des variateurs de vitesse. De par sa structure, la machine asynchrone à cage d’écureuil possède un défaut important par rapport à la machine à courant continu et aux machines de type synchrone. En effet, l’alimentation par une seule armature fait que le même courant crée le flux et le couple et ainsi les variations du couple provoquent des variations du flux. Ce type de couplage donne à la machine asynchrone un modèle complètement non linéaire, ce qui complexifie beaucoup la commande de cette machine. D’innombrables travaux ont été réalisés pour mettre au point des commandes performantes de la machine asynchrone à cage.

Le contrôle scalaire [Machines asynchrones- Commande par contrôle scalaire], bien adapté à certains types de variateurs, ne permet pas d’obtenir des performances très élevées, surtout dans les basses vitesses et forts couples. Il ne convient pas du tout pour réaliser un positionnement de la machine asynchrone.

Le contrôle vectoriel par orientation du flux rotorique [Machines asynchrones à contrôle vectoriel de flux] a été développé pour supprimer le couplage interne de la machine, provoquant des variations du flux liées à celles du couple. Beaucoup de travaux ont été effectués sur le contrôle vectoriel et de nombreux variateurs avec cette commande sont réalisés et utilisés pour de multiples applications, dans des domaines de puissance et de vitesse très variés. Cependant, bien qu’il donne des performances élevées à la machine asynchrone, le contrôle vectoriel par orientation du flux rotorique présente un certain nombre d’inconvénients :

• faible robustesse aux variations paramétriques et en particulier à celles de la constante de temps rotorique ;

• nécessité d’un modulateur pour la commande rapprochée de l’onduleur qui provoque des retards, surtout à basse fréquence de modulation (grande puissance). Ces retards sont responsables d’une augmentation du temps de réponse en couple, ce qui pénalise les variateurs utilisés en traction ;

• présence de transformations de coordonnées dépendant d’un angle estimé ;

• la vitesse de rotation intervient explicitement dans l’algorithme de commande. Quand on ne mesure pas cette vitesse (variateur sans capteur de vitesse), les erreurs sur l’estimée de cette vitesse dégradent les performances du variateur.

L’utilisation d’observateurs de flux a permis de réduire la sensibilité du contrôle aux variations de la constante de temps rotorique, mais non à l’annuler. On a également développé des structures d’estimation de cette dernière, ce qui a permis de compenser les effets des variations de cette constante de temps. De plus en plus de variateurs sont dépourvus de capteur de vitesse pour réduire les effets négatifs de ce dernier : coût prohibitif, fragilité... Quand le capteur de vitesse est remplacé par un estimateur ou un observateur, les performances sont dégradées à très basse vitesse (annulation de la pulsation statorique), ce qui correspond à une zone critique due à la perte d’observabilité de la vitesse.

La commande directe DSC (« direct self control ») a été mise au point pour une application spécifique qui est la traction ferroviaire de grande puissance. Celle-ci ne nécessite pas a priori de performances dynamiques très élevées, excepté que les transitoires de couple doivent être très rapides pour contrer les phénomènes de patinage et d’enrayage. La commande directe de couple (DTC) découle, dans ses principes, du DSC mais correspond à d’autres types d’applications pour pallier les inconvénients inhérents au contrôle vectoriel.

Deux algorithmes de commande de la machine asynchrone, selon ces principes, sont présentés ici :

• le contrôle vectoriel direct du flux statorique (DSC : « direct self control ») ;

• le contrôle direct de couple (DTC : « direct torque control »).

Ces méthodes directes, apparues dans les années 1980 ont été perçues comme concurrentes du contrôle vectoriel, car présentant plusieurs avantages :

• réduction du temps de réponse du couple ;

• amélioration de la robustesse vis-à-vis des variations paramétriques ;

• contrôle des amplitudes de modulation du couple et du flux ;

• suppression du modulateur et des transformations de coordonnées.

Cette loi de commande est donc bien adaptée aux fonctionnements sans capteur de vitesse, mais présente plusieurs inconvénients :

• non-maîtrise de la fréquence de modulation de l’onduleur (compatibilité électromagnétique : CEM, pertes de commutation) ;

• fréquence d’échantillonnage élevée ;

• sensibilité de la commande aux variations de la résistance statorique, surtout à basse fréquence.