Design Machine Impact On the Sensorless Control of Electrical Drives : Modeling and Control solutions of PMSM

Impact de la conception de machine sur le contrôle sans capteur des entraînements électriques : solutions de modélisation et de contrôle

• Auteur / Autrice : Haiteng Sun
• Direction : Imen Bahri, Guillaume Krebs, Pedro Rodriguez Ayerbe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 24/11/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Éric Semail
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lahoucine Idkhajine, Georges Barakat, Mickaël Hilairet, Claude Marchand
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lahoucine Idkhajine, Georges Barakat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automobiles électriques

Équipement électrique

Propulsion électrique

Mots clés libres

Conception de machine

Contrôle

Commande sans capteur mécanique

Optimisation

Sensorless control

Machine design

Design optimization

PMSM

Résumé

Les techniques sans capteur pour l’entraînementdes machines électriques présentent deplus en plus d’intérêts pour des applications industriellesou encore pour les systèmes embarqués.Les tendances actuelles tendent à intégrer l’électroniquedu capteur, les étages de puissance et lesunités de commande dans un système unique, quiest ensuite intégré dans l’entraînement. Le retraitdes capteurs mécaniques, tels que les capteurs deposition et de vitesse, présente l’avantage de réduireles coûts et les volumes utilisés. Les techniquessans capteur peuvent aussi assurer une fonctionde diagnostic où il est alors possible de détecterdes dysfonctionnements de l’entraînement. Deschercheurs ont proposé plusieurs approches sanscapteur au cours des dernières décennies. Ces techniqueslargement adoptées reposent soit sur l’exploitationde la force électromotrice (FEM), soitsur l’exploitation de l’anisotropie magnétique ausein des machines. En outre, les techniques d’injectionde signaux ont pu apporter des solutionsaux fonctionnements à basses vitesses. Il faut égalementspécifier que la précision de détection dela position du rotor dépend fortement de la structuredu rotor. Le projet de doctorat vise à élaborerde nouvelles approches pour permettre aucontrôle sans capteur d’être appliqué sur un pluslarge éventail d’applications. L’objectif est de proposerdes nouvelles techniques de conception demachine synchrone à aimant permanent permettantd’accroître les performances sans capteur, enparticulier à faible vitesse et à forte charge, touten en conservant la qualité du couple produit. Ilfaudra prendre en compte plusieurs effets commela saturation magnétique ou l’impact sur le rendement.

Sensorless techniques for electricaldrives and machines are increasingly gaining importancein industrial and mobility applications thanksto the technological trend of integrating sensorelectronics, power stages and control units withina single system that is then embedded within thedrive. The removal of mechanical sensors, such asposition and speed sensors, comes with the advantageof reduced costs and space. Sensorless techniquescan also take on a diagnosis function, thusdetecting malfunctioning of the drive that couldlead to unexpected or instable behavior. The researchcommunity has proposed several sensorlessapproaches over the past decades. Largely adoptedtechniques are either based on the exploitation ofthe back-EMF (Electro Motive Force) or on theexploitation of machine anisotropies. Also, signalinjection techniques have found large applicationboth for electrical drives and machines speciallyin standstill and low speed range. Moreover, theaccuracy of the rotor-position detection dependsstrongly on the rotor saliency, that is, on the geometryof the PMSM rotor. The PhD thesis aims todrafting new guidelines for the path of future researchwith the focus on successfully bringing thisnew technology into a wider spectrum of applications.This will be done by focusing in the sametime on the design of the machine and the controlsolutions to improve the sensorless rotor-positiondetection. In others words, the goal is to proposea new design optimization technique for permanentmagnet (PMSM) to increase sensorless performanceespecially at low speed and high loadingsby compromising with torque capability.