Commande du moteur et cartes de rendement
Un contrôleur de moteur électrique transforme la demande de couple du conducteur en courants de phase synchronisés avec précision, tout en respectant les limites de la batterie, de l’onduleur, du moteur, des pneus et du système de refroidissement. La réponse familière de l’accélérateur d’un véhicule électrique résulte donc d’une commande en temps réel et non d’une caractéristique intrinsèque du moteur.
La chaîne de commande
La pédale d’accélérateur ne commande pas directement une tension moteur. Le logiciel du véhicule interprète sa position avec le mode de conduite, le patinage des roues, le contrôle de stabilité, l’état de la batterie, les limites thermiques et les défauts des composants. Il demande ensuite un couple positif ou négatif à l’essieu.
Un contrôleur de traction typique utilise des boucles imbriquées. Une boucle de vitesse ou de couple plus lente détermine le courant moteur requis, tandis que des boucles de courant plus rapides régulent l’état électromagnétique plusieurs milliers de fois par seconde. Le contrôleur mesure le courant de phase et la tension du bus continu, estime ou mesure la position du rotor, calcule les tensions de phase cibles et demande à l’traction inverter de les reproduire par modulation de largeur d’impulsion.
Le résultat doit rester stable lorsque varient vitesse, couple, tension de batterie, température et saturation magnétique. La qualité de la commande influe sur le rendement, le comportement acoustique, le freinage régénératif, la motricité et les contraintes subies par les composants.
Commande orientée champ
Les courants triphasés du stator sont séparés de 120 degrés électriques, ce qui complique leur commande directe. La commande orientée champ, également appelée commande vectorielle, transforme mathématiquement les courants mesurés dans un repère qui tourne avec le champ magnétique du moteur.
Le courant transformé comporte deux composantes principales :
- le courant d’axe d modifie principalement le flux magnétique ;
- le courant d’axe q produit principalement le couple dans une machine simple à aimants en surface.
Cette distinction n’est pas absolue pour toutes les topologies. Dans un moteur à aimants permanents intérieurs, l’interaction des courants d’axes d et q produit aussi un couple de réluctance. Les moteurs asynchrones nécessitent une estimation du flux rotorique et du glissement. Les machines à excitation électrique ajoutent le courant d’excitation du rotor comme variable de commande.
Après le calcul des tensions souhaitées sur les axes d et q, des transformations inverses les reconvertissent en consignes de phases fixes. Une méthode à vecteur spatial ou une autre méthode PWM sélectionne ensuite les états de commutation de l’onduleur dont la tension moyenne suit le vecteur demandé.
Position et vitesse du rotor
Une commande vectorielle précise exige l’angle électrique du champ rotorique. Un résolveur, un codeur magnétique, un capteur inductif ou un autre capteur de position peut fournir directement cet angle. Le contrôleur combine les échantillons de position dans le temps pour calculer la vitesse.
La commande sans capteur estime plutôt l’angle et la vitesse à partir du courant mesuré, de la tension commandée, de la force contre-électromotrice, des variations d’inductance ou d’un modèle observateur. Elle peut réduire le matériel et le câblage, mais l’estimation devient difficile près de la vitesse nulle, car l’information de force contre-électromotrice s’affaiblit. Certains entraînements associent les données des capteurs et l’estimation par modèle pour les contrôles de plausibilité ou le fonctionnement dégradé.
Une erreur angulaire décale le repère d-q supposé par le contrôleur par rapport au rotor réel. Elle peut réduire le couple disponible, augmenter le courant et la chaleur, créer des ondulations ou menacer la stabilité. La détection de position constitue donc un élément de performance et de sécurité fonctionnelle, pas seulement un indicateur de vitesse.
MTPA, vitesse de base et affaiblissement de champ
À basse et moyenne vitesse, le contrôleur cherche généralement à fournir le couple requis avec le minimum de courant statorique utile. Le couple maximal par ampère, ou MTPA, sélectionne une combinaison de courants d-q qui minimise le courant pour un couple donné. Dans un moteur à aimants en surface, le courant d’axe d peut être proche de zéro ; un moteur saillant à aimants intérieurs peut profiter d’un courant d’axe d négatif pour extraire un couple de réluctance.
Lorsque la vitesse du moteur augmente, la force contre-électromotrice et la tension inductive utilisent une part croissante de la tension disponible à l’onduleur. La vitesse de base correspond approximativement au point où la tension, plutôt que le courant, devient la limite active. Au-delà, le contrôleur applique l’affaiblissement de champ.
Dans un moteur à aimants permanents, un courant d’axe d négatif crée un champ statorique qui s’oppose à une partie du flux magnétique lié au stator. Il ne réduit pas l’intensité des aimants permanents eux-mêmes. La liaison de flux nette plus faible limite la force contre-électromotrice et autorise une vitesse supérieure, mais la capacité de courant se partage alors entre l’affaiblissement du flux et la production de couple. Le couple diminue et des pertes cuivre supplémentaires apparaissent.
À vitesse encore supérieure, le couple maximal par volt, ou MTPV, peut sélectionner l’angle de courant qui utilise au mieux la tension restante. Les limites de courant, de tension, de vitesse rotorique, de démagnétisation et de température forment ensemble les zones bien connues de couple constant et de puissance approximativement constante.
Cartes de rendement et commande optimale
La consigne qui minimise le courant électrique n’est pas toujours celle qui minimise les pertes totales du groupe motopropulseur. Les pertes cuivre, fer et aimants, les pertes de commutation et de conduction de l’onduleur, les pertes d’excitation du rotor, les pertes d’engrenages et la puissance de la pompe de refroidissement réagissent différemment à la vitesse et au couple.
Les contrôleurs de série utilisent donc des cartes calibrées et des modèles physiques. À chaque point de fonctionnement, ils peuvent choisir :
- les cibles de courant des axes d et q ;
- l’excitation du rotor dans un moteur à excitation électrique ;
- la stratégie PWM et la fréquence de commutation ;
- la répartition du couple entre l’avant et l’arrière dans un véhicule multimoteur ;
- la mise hors tension ou la déconnexion éventuelle d’un essieu ;
- le couple admissible selon les températures présentes et prévues.
L’optimisation du rendement doit coexister avec la réactivité, le bruit, l’ondulation de tension, les limites de la batterie et les marges de réserve. Un contrôleur qui poursuit trop agressivement un optimum de laboratoire peut dégrader l’agrément de conduite ou réduire la tolérance aux défauts.
Régénération et précision du couple
Le freinage régénératif inverse le flux de puissance, mais repose sur la même commande du courant. Le véhicule demande un couple négatif aux roues, le moteur produit de l’énergie électrique et l’onduleur renvoie un courant continu contrôlé vers le bus haute tension.
La régénération disponible peut être limitée par l’état de charge de la batterie, la température des cellules, les limites de puissance de charge, l’adhérence des pneus, la vitesse du moteur ou la température de l’onduleur. Le freinage combiné compense l’écart avec les freins à friction tout en maintenant la décélération demandée et la stabilité du véhicule.
La précision du couple compte aussi en traction positive. Les systèmes de stabilité et d’antipatinage exigent que le groupe motopropulseur fournisse rapidement et de manière prévisible le couple commandé. Le contrôleur peut estimer le couple réel à partir du courant, de la position du rotor, de paramètres moteur calibrés et de la température, car un véhicule de série possède rarement un capteur de couple sur chaque arbre moteur.
Gestion des défauts
Le contrôleur surveille en permanence les courants de phase, la tension du bus continu, la position du rotor, la température des semi-conducteurs, la température du moteur, l’état d’isolement et les communications. Des contrôles de plausibilité comparent les informations redondantes. Si des mesures divergent ou si une limite est franchie, le système peut réduire le couple, désactiver un moteur, arrêter la commutation ou ouvrir les contacteurs haute tension.
La désactivation des grilles des semi-conducteurs ne rend pas tous les moteurs électriquement inertes. Un moteur à aimants permanents en rotation peut continuer à produire une tension. La conception de l’état sûr tient donc compte de la force contre-électromotrice en circuit ouvert, du couple de court-circuit, de la survitesse, des modes de défaillance de l’onduleur et de la possibilité qu’un autre essieu assure une propulsion contrôlée.
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