SIMULATION TRAINING SESSION «ELECTRIC VEHICLE»

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SIMULATION TRAINING SESSION «ELECTRIC VEHICLE»
Workshop EMR’ 09
Trois-Rivières
September
2009
« Modelling and control using
Energetic Macroscopic Representation »
SIMULATION TRAINING SESSION
«ELECTRIC VEHICLE»
K. Chen, W. Lhomme
(University of Lille, France)
L. Boulon
(Université du Québec à Trois Rivières, Canada)
Simulation uisng Matlab-SimulinkTM
1
Workshop EMR’ 09
Trois-Rivières
September
2009
« Modelling and control using
Energetic Macroscopic Representation »
1. MODELISATION ET COMMANDE PAR INVERSION
2. MODELISATION D’UN VE AVEC MCC A AIMANTS
3. COMMANDE D’UN VE AVEC MCC A AIMANTS
4. COMMANDE D’UN VE AVEC MCC A EXITATION
( 5. COMMANDE D’UN VE AVEC MAS A CAGE )
2
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Modélisation d’un système -
3
EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
Notions d’entrée et de sortie
entrée : action de l’environnement
sur le système, fait évoluer le système
sortie : action du système sur l’environnement, effet de l’évolution du système
Le système est caractérisé par une relation de type
sortie = f ( entrée, paramètres du système )
cause
entrée
Système
effet
sortie
La sortie est en retard par rapport à l’entrée
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Le principe de causalité -
4
EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
Principe de causalité
la causalité physique est intégrale
entrée
sortie
cause
effet
?
x
t
t1
∫ xdt
surface
possible en
temps réel connaissance
évolution passée
pente
impossible en
temps réel
connaissance
évolution future
dx
dt
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Le principe de causalité EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
Principe de la cause et de l’effet
cause
Système
effet
effet = f (cause)
f de type intégrale
La causalité physique est intégrale
5
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Principe d’interaction EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
Principe d’interaction
échange d’énergie entre éléments connectés
action
Élément 1
Élément 2
réaction
puissance échangée = action x réaction
tension
exemple
Alimention
Charge
courant
6
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Principe d’inversion EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
cause
Système
effet
mesures ?
Commande
Cause adaptée
effet désiré
Commande = inversion de la relation de cause à effet
7
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Représentation Energétique Macroscopique -
8
EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
s1
v
SM
SE
s1
vref
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Structure de Commande -
9
EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
SMC de la structure générique
1. REM du système
2. chaîne de réglage (cahier des charge)
3. inversion de chaque élément
SE
Structure Maximale de Commande :
- maximum de capteurs (hypothèse : toute variable mesurable)
- maximum d’opérations (rejet explicite de perturbation)
SM
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Structure de Commande -
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EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
vers une structure pratique
1. REM du système
2. chaîne de réglage (cahier des charge)
3. inversion de chaque élément
SM
SE
4. simplification de la commande
5. estimation des grandeurs non mesurables
6. synthèse des correcteurs
fusion
Correcteur PID
détermination kP kI kD
Workshop EMR’ 09
Trois-Rivières
September
2009
« Modelling and control using
Energetic Macroscopic Representation »
1. MODELISATION ET COMMANDE PAR INVERSION
2. MODELISATION D’UN VE AVEC MCC A AIMANTS
3. COMMANDE D’UN VE AVEC MCC A AIMANTS
4. COMMANDE D’UN VE AVEC MCC A EXITATION
( 5. COMMANDE D’UN VE AVEC MAS A CAGE )
11
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Structure du véhicule étudiée -
12
EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
Ωréd
iind
ubat
uHi
iHi
Ωrg
Ωdif
MCC
vve
Cdif
Cmcc
Fres
Créd
Ωrd
batterie
hacheur
MCC AP
transmission
Cdif
roues
châssis
Hypothèses :
interrupteurs idéaux
MCC à aimants permanents
inertie de la MCC, des arbres, des roues négligées
contact roue/sol sans pertes
environ.
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Modélisation : réducteur et différentiel -
13
EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
vve
Ωréd
Ωdif
Cdifd
Fres
Créd
Ωrd
Ωdif
Cdifg
Cmcc
Créd
Couplage
mécanique
Ωrg
Créd
Cmcc
Ωred
Ωdif
mboîte
mboîte est constant pour
un simple réducteur
Ω rd + Ω rg

Ω dif =
2

Cdifd = Cdifg = Créd

2
Cred = mboîte ηboîte Cmcc

Ω red = mboîte Ω dif
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Modélisation de la partie mécanique : les roues -
14
EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
vve
Ωréd
Ωdif
Fres
Cmcc
Créd
Cdif
 Fr = Cdif / Rr

Ω r = vr / Rr
Rr : Rayon de la roue
Ωr
Fr
vr
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Modélisation de la partie mécanique : le châssis -
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EMR’09, Trois-Rivières, September 2009

Rb + l ve / 2
v
=
v ve
 rg
Rb

Rb − l ve / 2

v
=
v ve
 rd
Rb


 F =F +F
tot
rg
rd

lve
vve
Rb
Fres
M
d
vve = Ftot − Fres
dt
Frd
vrd
Ftot
vve
Frg
vrg
Rb
Ftot
vve
vve
Frés
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Modélisation de la partie mécanique : l’environnement -
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EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
Fres ≈ Fair + Fpente
Fair
Ftot
Sfront
1

 Fair = ρ air S front C x vve2

2
 Fpente = Mg sin(α )
α
α
Mg
vve
SM
Fres
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Modélisation de la structure étudiée -
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EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
Ωréd
iind
ubat
uHi
iHi
Ωrg
vve
Ωdif
MCC
Cdif
Cmcc
Fres
Créd
Ωrd
batterie
hacheur
MCC
transmission
Cdif
roues
Cdif
ubat
SE
iHi
Cmcc Cred
????
Ωred
Ωdif
Ωrd
Cdif
Ωrg
châssis
environ.
Frd
vrd
Frg
Ftot vve
SM
vve F
res
vrg Rbraq
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Rappels Hacheur et MCC-
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EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
imcc
Cmcc
Vbat
ihach
modélisation du hacheur 4Q
aux valeurs moyennes
u hach = mhachVbat

 ihach = mhach imcc
uhach
MCC
Ωred
modélisation d’une MCC
à aimants permanents
 C mcc = kΦ imcc

emcc = kΦ Ω red
u hach = L
d
imcc + Rimcc + emcc
dt
mhach rapport de modulation
kΦ coeff. de couplage électromécanique
Workshop EMR’ 09
Trois-Rivières
September
2009
« Modelling and control using
Energetic Macroscopic Representation »
1. MODELISATION ET COMMANDE PAR INVERSION
2. MODELISATION D’UN VE AVEC MCC A AIMANTS
3. COMMANDE D’UN VE AVEC MCC A AIMANTS
4. COMMANDE D’UN VE AVEC MCC A EXITATION
( 5. COMMANDE D’UN VE AVEC MAS A CAGE )
19
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Inversion d’un élément de conversion (1) -
20
EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
Objectif : maîtriser s2
Objectif : maîtriser s2
e1
s2
e1
s2
s1
e2
s1
e2
s2-ref
e1-reg
e21
e1-mes
1. agir sur e21
e1 perturbation
e21
2. agir sur e1
s2-ref
e21 perturbation
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Inversion d’un élément d ’accumulation EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
Objectif : maîtriser s2
e1
s2
s2=f(e1, e2)
f de type intégral
s1
e2
e2-mes
s2-mes
e1-reg
agir sur e1
s2-ref
inversion directe
de type dérivée
asservissement
e2 perturbation
21
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Rappel sur les inversion de couplage (1) -
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EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
s21
e1
S1
s1
s22
S21
e21
e22
S22
Problème :
1 entrée pour 2 sorties
e11-ref
e1-ref
s21-ref
Critère d’inversion
pondération des références
e21-ref
s22-ref
e1-ref =k e11-ref + (1-k) e21-ref k
P
e1− ref = k P s21− réf + (1 − k P )s22 − réf
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Rappel sur les inversion de couplage (1) -
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EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
S11
S12
e11
s2
s11
e12
CS1
s12
S2
e2
Problème :
2 entrées pour 1 sortie
e11-ref
e12-ref
etotal-ref
e11-ref =k e12-ref
kR
s2-ref
Critère d’inversion
répartition des références
e11− réf = k R s2 − réf

e12 − réf = (1 − k R ) s2 − réf
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Inversion d’un élément de conversion (1) -
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EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
Objectif : maîtriser s2
Ex : hacheur
e1
s1
s2
e21
uhach= mhach VDC
ihach= mhach imcc
e2
mhach = uhach_ref / VDC_mes
e1-mes
1. agir sur e21
s2-ref
VDC_mes
mhach
e1 perturbation
% X
uhach_ref
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Inversion d’un élément d ’accumulation -
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EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
Ex : arbre de rotation
e1
s2
s1
J
d
Ω + fΩ = Cmach − Cres
dt
e2
e2-mes
Cmach = Cor( Ω ref − Ω mes )
− Cres _ mes
s2-mes
e1-reg
agir sur e1
s2-ref
Cres_mes
e2 perturbation
+ +
Cmach_ref
Cor
Ωmes
-
+
Ωref
Workshop EMR’ 09
Trois-Rivières
September
2009
« Modelling and control using
Energetic Macroscopic Representation »
1. MODELISATION ET COMMANDE PAR INVERSION
2. MODELISATION D’UN VE AVEC MCC A AIMANTS
3. COMMANDE D’UN VE AVEC MCC A AIMANTS
4. COMMANDE D’UN VE AVEC MCC A EXITATION
( 5. COMMANDE D’UN VE AVEC MAS A CAGE )
26
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Rappels Hacheur et MCC-
imcc
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EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
Cmcc
Vbat
ihach
uhach
MCC
iexc
Vbat
ihexc
uhexc
modélisation d’une MCC
à excitation séparée
(hyp. de linéarité magnétique)
u hach = L
Ωred
d
imcc + Rimcc + emcc
dt
 C mcc = k 2 iexc imcc

emcc = k 2iexc Ω red
u hexc = L2
d
iexc + R2 iexc
dt
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Gestion du flux-
imcc
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EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
Cmcc
Vbat
uhach
ihach
iexc
Vbat
Ωred
uhexc
ihexc
en RP
u hach = Rimcc + k 2iexc Ω red
Ω red =
MCC
u hach − Rimcc
k 2iexc
umax2= Vbat2
uhach iexc
umax
inom
Ωred
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Génération consigne excitation -
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EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
batterie connexion
//
MCC
ubat
uHe
iexc
iHe
iexc
eexc
ubat
SE
hacheurs
itot
ubat
mHe
uHi
iHi
iind
iind
transmission
roue
Cdif
Cmcc Cred
Ωred
Ωrd
Ωdif
châssis
Frd
vrd
Cdif Frg
Ωrg
eind
environ.
Ftot
vve
SM
vve
Fres
vrg mbraq
mHi
ubat-mes
uHi-ref
iind-ref
iexc_réf
Cdiff-ref1
Frg-ref
Fres-mes
vve-mes
mHe
Cmcc-ref Cred-ref
uHe-ref iexc-ref
Ftot-ref vve-ref
C
F
kP diff-ref2 rd-ref
kR=1/2
=1/2
Workshop EMR’ 09
Trois-Rivières
September
2009
« Modelling and control using
Energetic Macroscopic Representation »
1. MODELISATION ET COMMANDE PAR INVERSION
2. MODELISATION D’UN VE AVEC MCC A AIMANTS
3. COMMANDE D’UN VE AVEC MCC A AIMANTS
4. COMMANDE D’UN VE AVEC MCC A EXITATION
( 5. COMMANDE D’UN VE AVEC MAS A CAGE )
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SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Traction avec machine asynchrone -
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EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
ima1
ima2
Vbat
uond13
uond23
Cmcc
Ωred
Vs Φs ωs
Vmax
en RP
ω r + p p Ω red = ω s ≈ p p Ω red
Φs ≈
Φnom
Vs
ωs
Ωred
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- Modèle de Park de la MA à Cage -
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EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
2s
is2
pΩ
vs2 1r
d
transformation
de Park
rotor
vsd
Φrotor
θr/s
vs1
vs3
is3
3s
3r
vsq irq
is1stator
isq
q
x s ,dq = [P( θ d / s )]x s ,123
x r ,dq = [P( θ d / r )]x r ,123
Simplifications de modélisation :
rotor
ird
vrq
1s
2r
1r
isd
 φr ≈ k1isd
C ≈ k φ i
 ma
2 r sq
vrd
θr/s
θd/s
1s
stator
SIMULATION TRAINING SESSION « EV »
- REM de la Machine asynchrone -
33
EMR’09, Trois-Rivières, September 2009
θd/s
enroulements stator en (d,q)
es-dq
Couplage électromagnétique
 φr ≈ k1isd
T ≈ k φ i
2 r sq
 im
Ωgear
is-dq
er-dq
Tim
ir-dq
φr
Tim
estator
istator
istator
vs-dq
ustator
ir-dq
irotor
vr-dq
urotor=0
θd/r
transformation de Park
Simplified EMR
Ωgear
is-dq
istator
ustator
enroulements rotor en (d,q)
Machine à cage
permutation enroulements / transformation
concaténation conversion EM et transformation

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