Développement d’algorithmes pour le contrôle sans capteur de machines électriquespolyphasées en mode normal et dégradé

Ssensorless control algorithms for multiphase machines in healthy and degraded mode

• Auteur / Autrice : Youssouf Mini
• Direction : Éric Semail, Ngac Ky Nguyen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique (AM)
• Date : Soutenance le 22/09/2021
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP) - Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Mohamed Fouad Benkhoris
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Semail, Ngac Ky Nguyen, Fabrice Locment, Malek Ghanes, Imen Bahri
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabrice Locment, Malek Ghanes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande passive

Thèses et écrits académiques

Machines électriques

Mots clés libres

Commande sans capteur de position

Machine synchrone à aimant permanent polyphasée

Estimation de force électromotrice

Observateur à mode glissant

Injection d’un signal à haute fréquence

Mode dégradé

Sensorless control

Multiphase permanent magnet synchronous machine

Estimation of the back-Electromotive force

Sliding mode observer

High frequency signal injection

Degraded mode

Résumé

L’électrification des systèmes de transport nécessite l’émergence d’entrainements électriques qui répondent à certaines exigences en termes de : rendement et densité de puissance élevés, fiabilité fonctionnelle, robustesse et compacité (facilité d’intégration). Dans ce contexte, les machines synchrones à aimants permanents (MSAP) polyphasées (nombre de phases ) sont devenues de plus en plus étudiées en raison de leurs densités énergétiques volumique et massique élevées, et leurs tolérances aux défaillances. Pour assurer un contrôle vectoriel performant de ces machines, un capteur de position mécanique est monté sur l’arbre de la machine pour fournir l’information de la position et de la vitesse du rotor. Cependant, dans un contexte de fiabilité fonctionnelle et de robustesse des machines MSAP polyphasées, un défaut sur ce capteur de position ou sur l’une de ses connexions entraine directement une défaillance du système de contrôle. Par ailleurs, dans un contexte de compacité, la nécessité d’un bout d’arbre pour monter ce capteur, qui lui aussi occupe du volume, entraine une augmentation du volume global des entrainements polyphasés. L’objectif de la thèse est de développer des algorithmes spécifiques à la commande sans capteur de machines MSAP polyphasées à force électromotrices non-sinusoïdales dans le but d’augmenter leurs fiabilités fonctionnelles et leurs compacités. Pour cela, des algorithmes basés sur le principe de l’observateur à mode glissant sont développés pour estimer la position et la vitesse du rotor à partir de l’estimation des forces électromotrices des différentes machines fictives équivalentes. Pour résoudre le problème d’observabilité des machines MSAP à zéro et faible vitesse, des algorithmes de commande sans capteur basés sur l’injection d’une tension sinusoïdale à haute fréquence dans la machine fictive qui contribue faiblement à la production du couple sont développés. L’obtention de la position sur toute la plage de vitesse des machines MSAP polyphasées en mode normal et dégradé peut ainsi être obtenue. Les différents algorithmes proposés dans ces travaux de thèse sont validés expérimentalement sur une machine MSAP à 7 phases à forces électromotrices non-sinusoïdales.

Multiphase permanent magnet synchronous machines (PMSMs) have started to be used more and more in the electrification of transportation systems. These systems have several specific requirements such as: high efficiency, high power density, high functional reliability, robustness, and compactness (easier for integration). Basically, to perform the vector control of multiphase PMSM drives, the essential information of the rotor position and speed is obtained by a position sensor mounted at the end of the rotor shaft. In the context of high functional reliability and compactness, the replacement of the position sensor by a “soft” position sensor, using only electrical sensors (currents) is interesting. This replacement helps to avoid the sensitivity of the position sensor to the environment and the necessity of an available rotor shaft end. Therefore, the purpose of this doctoral thesis is to perform accurate sensorless control algorithms for multiphase PMSM drives with the aim of enhancing their reliability and compactness. In this thesis, an algorithm based on the sliding mode observer is proposed to estimate the rotor position and speed by using the estimated back-electromotive forces of all fictitious machines of multiphase PMSM. To solve the problem of PMSM observability at standstill and low speed ranges, an algorithm based on the high-frequency signal injection and specificities of multiphase machines is developed. These algorithms guarantee the precise sensorless control of multiphase PMSM drives in all speed ranges. Experimental results of a non-sinusoidal seven-phase PMSM are given to verify the effectiveness of the proposed sensorless control algorithms in healthy and degraded mode.