Commande d’entraînement pour moteur à réluctance commutée axée performance utilisant un convertisseur en cascade multiport et une stratégie avancée de commande directe du couple

Pourquoi des transmissions électriques plus fluides sont importantes

À mesure que les véhicules électriques se généralisent, les conducteurs attendent qu’ils soient non seulement propres et efficaces, mais aussi silencieux, confortables et fiables. Un type de moteur prometteur pour les VE futurs est le moteur à réluctance commutée, robuste, peu coûteux et dépourvu d’aimants rares. Cependant, ces moteurs peuvent souffrir d’un couple saccadé et d’un excès de vibrations, rendant les trajets moins confortables et sollicitant davantage les pièces mécaniques. Cet article présente une nouvelle façon d’alimenter et de commander ces moteurs afin qu’ils tournent plus régulièrement, gaspillent moins d’énergie et conviennent mieux aux tâches de traction exigeantes en automobile.

Un moteur électrique d’un autre genre

L’étude se concentre sur les moteurs à réluctance commutée, qui sont très différents à l’intérieur des machines à aimants permanents plus familières. Plutôt que d’utiliser des aimants sur le rotor, ces moteurs s’appuient sur la tendance du rotor à se déplacer vers les régions où les chemins magnétiques sont plus favorables — des zones d’inductance plus élevée. En commutant le courant marche/arrêt à travers plusieurs enroulements du stator en séquence, le contrôleur entraîne le rotor et génère du couple. Ce concept est solide, simple et peu onéreux à fabriquer, et il évite la dépendance aux matériaux rares. Toutefois, les commutations rapides et la forte non‑linéarité magnétique du moteur peuvent provoquer d’importantes ondulations de couple et de courant, entraînant bruit, vibrations et usure supplémentaire dans les véhicules électriques.

Un nouveau « pont » d’alimentation pour le moteur

Pour maîtriser ces problèmes, les auteurs repensent l’étage de puissance électronique qui relie la batterie au moteur. Au lieu d’un convertisseur classique à deux niveaux, qui applique de façon abrupte soit la pleine tension soit zéro à chaque phase, ils proposent un convertisseur modulaire en cascade multiport constitué de sous‑modules empilés par phase. Chaque phase peut désormais afficher plusieurs niveaux de tension intermédiaires, et non plus seulement marche ou arrêt. Cette approche multiniveau lisse la forme d’onde de tension, réduit les contraintes électriques sur les interrupteurs et les isolations, et diminue les harmoniques indésirables dans le courant. La structure modulaire est aussi plus facile à monter en échelle et plus tolérante aux défauts, ce qui est important pour les systèmes de traction critiques pour la sécurité.

Commande du couple en temps réel plus intelligente

Le matériel s’accompagne d’un schéma amélioré de commande directe du couple qui agit comme un chef de circulation à haute fréquence pour les interrupteurs de puissance. Plutôt que de façonner lentement les courants via des boucles de rétroaction traditionnelles, la commande directe estime en temps réel le flux magnétique et le couple du moteur et sélectionne parmi un ensemble de motifs de tension selon la direction et l’intensité du changement de couple nécessaire. Dans ce travail, les auteurs élaborent des modèles mathématiques détaillés du comportement non‑linéaire du moteur et organisent les motifs de tension possibles en huit secteurs et huit vecteurs. Une table de commutation sur mesure choisit alors à chaque instant le motif optimal du convertisseur multiniveau, maintenant le couple et le flux dans des bandes strictes tout en minimisant les commutations inutiles.

Du modèle informatique au banc d’essai réel

L’équipe valide son approche en deux étapes. D’abord, elle construit une simulation détaillée d’un moteur à réluctance commutée quatre phases 8/6 entraîné par le nouveau convertisseur et la nouvelle stratégie de commande dans MATLAB/Simulink. Ils examinent la vitesse, le couple et les courants de phase en régime établi et lors de variations rapides de vitesse, et comparent les résultats à ceux d’un convertisseur conventionnel. Ensuite, ils réalisent un montage de laboratoire de 2,2 kilowatts avec des modules de puissance industriels, des capteurs et un codeur. Les expériences incluent une croisière stable à 1000 tours par minute, des sauts de vitesse entre 400, 1400 et 2400 tours par minute, ainsi que des phases d’accélération, de freinage et des perturbations de charge. Dans ces essais, le nouvel entraînement maintient la vitesse avec précision tout en produisant des formes d’onde de courant visiblement plus propres et un couple plus lisse.

Ce que les améliorations signifient sur la route

De façon quantitative, le convertisseur et la commande proposés réduisent l’ondulation de couple d’environ 41,5 % au maximum par rapport à la conception conventionnelle, ramenant les valeurs d’ondulation à environ 16–25 % selon la vitesse et la charge. Parallèlement, le système présente une réponse plus rapide aux variations de la demande du conducteur, un dépassement limité lors des ajustements de vitesse, et une efficacité légèrement meilleure, le tout en opérant à une fréquence de commutation fixe et prévisible. En termes pratiques, cela signifie qu’un véhicule électrique équipé d’un tel entraînement pourrait accélérer et décélérer plus en douceur, générer moins de bruit et de vibrations, et solliciter moins ses composants. Bien que le nouvel matériel soit plus complexe et coûteux que les convertisseurs standard, les auteurs soutiennent que sa combinaison de robustesse, de douceur et de précision de commande en fait un candidat solide pour les futurs systèmes de traction électrique haute performance.

Citation: Deepak, M., Santhakumar, K., Sathiyasekar, K. et al. Performance-driven switched reluctance motor drive using multiport cascaded converter and advanced direct torque control scheme. Sci Rep 16, 12211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45141-9

Mots-clés: moteur à réluctance commutée, propulsions de véhicules électriques, réduction des ondulations de couple, convertisseur de puissance multiniveau, commande directe du couple