Commande sans capteur de moteurs électriques par injection de signal

Sensorless control of electric motors by signal injection

• Auteur / Autrice : Dilshad Surroop
• Direction : Pierre Rouchon, Philippe Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématique et automatique
• Date : Soutenance le 10/02/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre automatique et systèmes (Fontainebleau, Seine et Marne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Coron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Rouchon, Philippe Martin, Xuefang Lin-Shi, Pascal Combes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Andrieu, Malek Ghanes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Injection de signaux

Modélisation des données (informatique)

Traitement du signal

Moteurs électriques

Mots clés libres

Contrôle non-Linéaire

Moteurs électriques

Modélisation

Traitement du signal

Contrôle sans capteur

Nonlinear control

Electric motors

Modeling

Signal processing

Sensorless control

Résumé

La commande sans capteur des moteurs électriques à basse vitesse demeure une problématique industrielle à la fois complexe et fertile. La dégénérescence de l'observabilité à zéro de vitesse lorsque la position du rotor n'est pas mesurée représente en effet un enjeu industriel majeur pour la commande robuste des moteurs. Ce problème est classiquement résolu par la technique dite de l'injection de signal exogène. Elle consiste à exciter le système par une perturbation à haute fréquence afin d'engendrer une réponse HF qui porte l'information de position désirée. L'injection de signal traditionnelle présente néanmoins des inconvénients pratiques majeurs, tels que l'introduction de bruits acoustiques parasites ou encore la limitation de la fréquence d'injection par la modulation d'impulsion pour les systèmes électromécaniques contrôlés via un onduleur. Pour ces systèmes, les signaux d'entrée modulés créent de manière endogène des harmoniques qui induisent des effets similaires à l'injection de signal exogène, sans les limitations de cette dernière, laissant donc entrevoir la possibilité de réalisation d'un schéma de contrôle sans capteur ni perturbation forcée. Dans les deux cas — exogène et endogène — il reste nécessaire de séparer la composante HF de la sortie fondamentale pour pouvoir exploiter pleinement l'information de position induite, avec une procédure qui soit applicable au flux binaire en sortie d'un modulateur Sigma-Delta, que l'on retrouve désormais déployé sur certains variateurs de vitesse industriels. On se propose d'étudier les propriétés de l'injection de signal exogène en utilisant la théorie de la moyennisation. L'application de cette théorie permet notamment d'obtenir une description précise des effets de l'injection sur le système et ses sorties. Pour l'injection de signal endogène, une étude analogue peut être reproduite en adaptant la théorie de la moyennisation aux systèmes hybrides contrôlés par une modulation des entrées. Est ainsi mise en évidence la possibilité de récupérer les mêmes informations que dans le cas exogène sans avoir recours à une perturbation externe. Afin d'extraire l'information contenue dans la perturbation induite, on développe une procédure de démodulation des signaux multiplexés, valide à la fois sur des mesures analogiques ou sur un bitstream Sigma-Delta. Des validations numériques et expérimentales sur des Moteurs Synchrones à Aimants Permanents viennent parachever cette étude, et soulignent les difficultés inhérentes au contrôle d'un MSAP.

Sensorless control of electric motors at low speed remains a complex and fertile industrial problem. The observability degeneracy at zero speed when the rotor position is not measured represents indeed a major industrial issue for the robust control of motors. This problem is classically solved by the well-known exogenous signal injection technique. It consists in superimposing a fast-varying signal to the control law in order to generate a high-frequency response that carries the desired position information. However, traditional signal injection has major practical drawbacks, such as the introduction of parasitic acoustic noise or the limitation of the injection frequency by the Pulse-Width Modulation for electromechanical systems controlled using an inverter. For these systems, the modulated input signals endogenously create harmonics that induce effects similar to exogenous signal injection, without the limitations of the latter, and thus allowing the possibility of realizing a sensorless control scheme without mechanical sensor nor external probing signal. In both cases —exogenous and endogenous— it is still necessary to separate the HF component from the fundamental output to be able to fully exploit the induced position information, with a procedure that is applicable to the output bistream of a Sigma-Delta modulator, which is now deployed in some industrial variable-frequency drives. We propose to study the properties of the exogenous signal injection using the averaging theory. The application of this theory allows us to obtain a precise description of the injection effects on the controlled system and its outputs. For the endogenous case, a similar study can be conducted by adapting the averaging theory to hybrid systems controlled by a modulation of its inputs. The possibility of recovering the same information as in the exogenous case is thus highlighted without the need of an external perturbation. To extract the information contained in the induced perturbation, we develop a demodulation procedure for multiplexed signals, valid both on analog measurements and on a Sigma-Delta bitstream. Numerical and experimental validations on Permanent Magnet Synchronous Motors complete this study, and underline the inherent difficulties of PMSM control.