Contrôle temps réel d’un moteur à réluctance variable avec NI LabVIEW FPGA et CompactRIO

Author(s):
Keunsoo Ha - Virginia Tech

Industry:
Electromechanics/ Electrotechnics, University/Education, Research

Products:
Distributed I/O, CompactRIO, LabVIEW

The Challenge:
Développer un système de contrôle de vitesse temps réel pour les unités de commande de moteurs à réluctance variable (MRV).

The Solution:
Utiliser le module LabVIEW FPGA et le système embarqué CompactRIO de National Instruments pour concevoir, prototyper et déployer un environnement expérimental destiné au développement d’une nouvelle technologie de simulation MRV, de système de contrôle et d’unités de commande.

De par sa simplicité mécanique et son caractère économique, le MRV est devenu le principal centre d’intérêt du domaine des unités de commande des moteurs électriques. Le département Center for Rapid Transit Systems de Virginia Tech est un groupe de recherche sur la commande d’axes reconnu à l’échelle internationale pour son savoir-faire en matière de conception, de simulation et de contrôle de MRV, et de topologies de convertisseurs de puissance.

Une conception et une simulation plus rapides sous LabVIEW
Nous avons utilisé NI LabVIEWpour créer une plate-forme de conception et de simulation nous permettant de développer de nouveaux algorithmes de contrôle et des produits électroniques de puissance. Grâce au LabVIEW Simulation Module, nous avons pu simuler les dynamiques des systèmes MRV à boucle fermée et le LabVIEW Control Design Toolkitnous a permis de concevoir les boucles de contrôle de vitesse et de courant de moteur. Nous avons utilisé les fonctions de table de conversion (LUT) dans LabVIEW pour représenter les relations non linéaires dans le modèle de simulation. Les MRV présentent en effet une relation tridimensionnelle non linéaire entre l’inductance et le couple, et le courant et la position. Ensuite, nous avons ajouté un modèle pour le convertisseur N+1 de l’électronique de puissance, qui a été inventé par le professeur Krishnan Ramu de Virginia Tech. Enfin, nous avons ajouté un bloc LabVIEW (pour la logique de communication utilisée pour contrôler le convertisseur) au modèle et validé le bloc via la simulation.

Nous avons effectué une simulation à 1000 tours/minute pour prouver la validité de la logique de commutation et celle du système de contrôle de vitesse à boucle fermée. La simulation intégrait un modèle précis de MRV biphasé, un convertisseur N+1, la logique de commutation, deux contrôleurs PID, et deux routines pour calculer l’inductance et le couple à partir des tables de conversion des caractéristiques magnétiques du moteur. Pour la résolution continue, nous avons utilisé la méthode Runge-Kutta 4. Après réglage, le système de contrôle s’est correctement comporté avec un dépassement de vitesse inférieur à 1% dans des conditions de fonctionnement à vide et avec un temps d’établissement d’environ 50 ms.
Le développement de la stratégie de contrôle pour les systèmes de commande MRV est plus compliqué que pour d’autres types de moteurs parce que l’inductance est une fonction à la fois du rotor et du courant d’excitation, même pour de faibles courants. Avec l’environnement LabVIEW, nous avons pu développer un modèle de simulation dynamique complexe dans lequel nous pouvions inclure toutes les structures de programmation d’un langage de programmation complet, comme les structures Condition, les boucles For et les boîtes de calcul. Nous avons utilisé une boîte de calcul pour concevoir plusieurs blocs de contrôle sans difficulté, comme le modèle de MRV biphasé, le convertisseur N+1, et la logique de commutation. L’environnement LabVIEW a aussi facilité la modélisation de phénomènes spéciaux comme la réduction du couple négatif dans le fonctionnement du moteur. Dans le diagramme de simulation LabVIEW, nous avons pu facilement mélanger du code LabVIEW traditionnel avec des objets de simulation à base de modèles comme le bloc de fonction de transfert. En utilisant un véritable langage de programmation, nous n’étions pas limités à un modèle d’exécution unique ni à la palette de fonctions restreintes des outils de simulation dynamique traditionnels.
En outre, notre code LabVIEW était portable à loisir, et nous pouvions facilement réutiliser la logique et les algorithmes de contrôle que nous avons développés ultérieurement dans le processus de contrôle temps réel. Avec ces simulations, nous avons pu valider le code effectivement utilisé dans la cible temps réel et profiter des fonctionnalités de mise au point et d’interface utilisateur de LabVIEW.

CompactRIO pour le contrôle de vitesse temps réel du moteur
Pour démontrer le contrôle de vitesse temps réel du MRV, nous avons connecté notre convertisseur N+1 et le moteur à réluctance variable biphasé à la plate-forme d’acquisition et de contrôle industriel NI CompactRIO. Le FPGA programmable par l’utilisateur et les modules d’E/S CompactRIO ont facilité la connexion de nos algorithmes de contrôle au moteur réel. Le FPGA a permis d’obtenir un contrôle haute vitesse du circuit de conversion de puissance et du courant du moteur. Le logiciel du système de contrôle temps réel se compose de cinq modules essentiels : la partie PWM (modulation à largeur d’impulsion), la logique de commutation avec des angles de commutation et une avance programmables, une boucle de contrôle de courant interne haute vitesse, une boucle de contrôle de vitesse extérieure plus lente, et une logique d’auto-démarrage. Grâce à la nature hiérarchique de LabVIEW, nous avons pu intégrer la logique d’un système de contrôle cascadé multivitesse dans une application logicielle embarquée graphique et intuitive. Étant donné que nous pouvions réutiliser le code des algorithmes de contrôle LabVIEW développé lors de la phase de conception et de simulation, nous avons été en mesure de régler avec précision les boucles de contrôle de courant sur la base des gains PI calculés pendant les simulations. En conséquence, nous avons été capables de rapidement vérifier les modèles de simulation en utilisant des données mesurées et de créer une plate-forme reconfigurable pour améliorer de façon itérative nos modèles de simulation, les éléments électroniques de puissance et les conceptions de systèmes de contrôle.

Avril 2006

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Keunsoo Ha
Virginia Tech
340 Whittemore
Blackburg VA 24061
US
Tel: +1 540-231-6058
ksha@vt.edu

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