Automatismes

Pourquoi utiliser le DTC ?

La réponse de couple supérieure n’est qu’une des fonctionnalités du DTC. La technologie offre d’autres avantages pour les clients, notamment :

• L’absence de besoin de retour de position ou de vitesse du moteur dans 95 % des applications. Ainsi, il est possible d’éviter l’installation de codeurs ou d’autres dispositifs de retour coûteux.
• Le contrôle DTC est disponible pour différents types de moteurs, notamment les moteurs à aimants permanents et les moteurs à réluctance synchrone.
• Un contrôle précis du couple et de la vitesse à de faibles vitesses, ainsi que le démarrage complet du couple au régime zéro.
• Une excellente linéarité du couple.
• Une précision de la vitesse statique et dynamique élevée.
• L’absence de fréquence de commutation prédéfinie. La commutation de transistor optimale est déterminée pour chaque cycle de contrôle, ce qui permet au variateur de correspondre aux exigences de la charge entraînée plus aisément.

Dans une perspective plus large, les avantages du DTC s’étendent aux logiciels, aux interfaces utilisateur, à l’entretien et aux fonctionnalités au niveau du système.

Comme son nom l’indique, le DTC cherche à contrôler directement le débit du moteur et le couple, au lieu d’essayer de contrôler indirectement ces variables comme le font les variateurs CC et les variateurs CA contrôlés par vecteur. Des boucles séparées de contrôle du couple et de la vitesse font partie du système DTC complet, mais elles fonctionnent ensemble de manière intégrée.

Figure 1 : principe de fonctionnement du DTC.

Le cœur du DTC est la boucle de contrôle du couple, où un modèle de moteur adaptatif sophistiqué applique des algorithmes mathématiques avancés pour prévoir l’état du moteur. Les variables contrôlées primaires – le débit du stator et le couple moteur – sont estimées avec précision par le modèle du moteur à l’aide des entrées des courants de phase du moteur et des mesures de la tension du bus CC, ainsi que des états des transistors de commutation de l’alimentation dans le variateur. Le modèle du moteur calcule également la vitesse de l’arbre. La compensation de température aide à améliorer la précision des calculs sans encodeur.

Les paramètres supplémentaires du moteur sont transmis automatiquement au modèle adaptatif pendant le fonctionnement d’identification du moteur, au moment de la mise en service du variateur. Dans de nombreux cas, une bonne identification des paramètres du modèle peut s’effectuer sans faire tourner l’arbre du moteur. Pour régler en détail le modèle du moteur, ce qui n’est nécessaire que pour quelques applications très exigeantes, le moteur doit tourner, mais seulement pendant une courte durée et sans charge.

La résistance du stator (chute de tension) est le seul paramètre, facile à mesurer, nécessaire à l’estimation du débit magnétique du moteur. Le couple du moteur peut ensuite être calculé comme étant le produit vectoriel du débit estimé du stator et des vecteurs de courant du stator. Bien que la résistance du stator soit la source principale des erreurs d’estimation, son influence diminue avec l’augmentation de la vitesse et de la tension du moteur. Ainsi, le DTC possède une excellente précision du couple sur une large plage de vitesses. De plus, le DTC comporte des méthodes avancées pour minimiser les erreurs d’estimation à des vitesses de moteur peu élevées.

Les signaux de sortie du modèle du moteur – qui représentent le débit de stator et le couple moteur réels – se dirigent respectivement vers un comparateur de débit et un comparateur de couple (Fig. 1). Ces unités de contrôle séparées comparent leurs entrées à une valeur de référence pour le débit et le couple. Dès le milieu des années 1990, les premiers variateurs contrôlés par DTC effectuaient ces fonctions toutes les 25 microsecondes (µs) à l’aide d’un processeur de signal numérique (DSP) à haute puissance. Dans la dernière génération de contrôle, l’intervalle est réduit à 12,5 µs, ce qui améliore encore la performance de contrôle. Chaque comparateur cherche à maintenir sa magnitude respective de vecteur de débit ou de couple sur une bande étroite d’hystérésis autour d’une valeur de référence. La réponse de couple rapide du DTC sans dépassement provient en partie de la capacité à minimiser ces fluctuations vectorielles. La réponse exceptionnelle du moteur est également due aux algorithmes de contrôle du DSP qui mettent à jour le modèle adaptatif de moteur au même taux de cycle élevé.

Les erreurs de débit et de couple – les différences entre les valeurs estimées et les valeurs de référence – et la position (ou secteur) angulaire du vecteur de débit du stator sont utilisées pour calculer l’état du débit et du couple dans les contrôleurs d’hystérésis. Ensuite, ces valeurs d’état deviennent des entrées vers le sélecteur d’impulsion optimale, où le vecteur de tension optimale est sélectionné dans le tableau à consulter (Fig. 1). Ainsi, il est possible d'envoyer les impulsions de signaux les plus appropriées pour chaque cycle de contrôle aux commutateurs d’alimentation de l’inverseur afin d’obtenir ou de maintenir un couple moteur précis.

Une forme de logique programmable – appelée circuit intégré prédiffusé programmable (FPGA) – aide le DSP à déterminer la logique de commutation de l’inverseur et les autres tâches. Le FPGA permet de modifier le contrôle ou les mises à jour de la conception du variateur par rapport à un circuit intégré propre à une application (ASIC) qui, s’il est utilisé, nécessite le verrouillage de la conception. La boucle de contrôle de vitesse, qui compose le reste des blocs fonctionnels du DTC .