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201 Pages·2014·4.52 MB·French

by  Ines Omrane

THÈSE
Pour l'obtention du grade de
DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE POITIERS
École nationale supérieure d'ingénieurs (Poitiers)
Laboratoire d'informatique et d'automatique pour les systèmes - LIAS (Poitiers)
(Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006)
École doctorale : Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques - S2IM
(Poitiers)
Secteur de recherche : Génie électrique
Présentée par :
Ines Omrane
Développement de capteurs logiciels de position
pour la commande de la machine synchrone
à aimants permanents
Directeur(s) de Thèse :
Erik Etien, Olivier Bachelier
Soutenue le 14 janvier 2014 devant le jury
Jury :
Président Mohamed Chaabane Professeur, École nationale d'ingénieurs de Sfax, Tunisie
Rapporteur Mohamed Chaabane Professeur, École nationale d'ingénieurs de Sfax, Tunisie
Rapporteur Luc Loron Professeur des Universités, Université de Nantes
Membre Erik Etien Maître de conférences, Université de Poitiers
Membre Olivier Bachelier Professeur des Universités, Université de Poitiers
Membre Jérôme Bosche Maître de conférences, Université de Picardie Jules Verne
Membre Wissam Dib Ingénieur de recherche, IFPEN
Pour citer cette thèse :
Ines Omrane. Développement de capteurs logiciels de position pour la commande de la machine synchrone à
aimants permanents [En ligne]. Thèse Génie électrique. Poitiers : Université de Poitiers, 2014. Disponible sur
Internet <http://theses.univ-poitiers.fr>
THESE
Pre´sente´ea`
L’UNIVERSITEDEPOITIERS
Pour l’obtention du grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS
ECOLENATIONALESUPERIEURED’INGENIEURSDEPOITIERS
ECOLEDOCTORALE SCIENCESETINGENIERIEPOURL’INFORMATIQUE,
MATHEMATIQUES
DiploˆmeNational-Arreˆte´ du7Aouˆt2006
SPECIALITE : G´enie E´lectrique
Pre´sente´epar
Ines OMRANE
D´eveloppement de capteurs logiciels de position pour la
commande de la machine synchrone `a aimants
permanents
DirecteurdeThe`se:Olivier BACHELIER
Co-encadrement:Erik ETIEN
Pr´esent´ee et soutenue publiquement le 14 Janvier 2014
COMPOSITION DU JURY
Rapporteurs : Luc Loron Professeur `a l’Universit´e de Nantes, IREENA, Nantes
Mohamed Chaabane Professeur `a l’Universit´e de Sfax, ENIS, Tunisie
Examinateurs : J´erˆome Bosche Maˆıtre de Conf´erence `a l’Universit´e de Picardie Jules Verne
Wissam Dib Ing´enieur de recherche `a l’IFPEN
Olivier Bachelier Professeur `a l’Universit´e de Poitiers
Erik Etien Maˆıtre de Conf´erence HDR `a l’Universit´e de Poitiers
Th`ese pr´epar´ee au sein du Laboratoire d’Informatique et d’Automatique pour les Syst`emes de Poitiers
Misenpageaveclaclassethloria.
Remerciements
Cette thèse a été effectuée au sein du Laboratoire d’Informatique et d’Automatique pour
les Systèmes (LIAS) de l’École Nationale Supérieure d’Ingénieurs de Poitiers. Elle a été cofi-
nancéeparlarégionPoitou-Charenteetl’InstitutFrançaisduPétroleetdesÉnergiesNouvelles.
JetiensàexprimermaprofondegratitudeetmessincèresremerciementsàM.PatrickCOI-
RAULT,Professeuràl’UniversitédePoitiersetDirecteurduLIAS.
JesuisparticulièrementreconnaissanteenversM.OlivierBACHELIER,Professeuràl’Uni-
versitédePoitiers,pourlaconfiancequ’ilm’aaccordéeenacceptantladirectiondecettethèse.
Sanssesprécieuxconseils,cetravailn’auraitpuêtremenéàsonterme.
JetienségalementàexprimermaprofondereconnaissanceetmagratitudeàM.ErikETIEN,
quiabienacceptéd’assurerl’encadrementscientifiquedecetterechercheetquim’aguidéepar
sesprécieuxconseils,saremarquablemanièrepédagogique,sescritiquesfructueusesetsesqua-
litéshumaines.
Je remercie également M. Luc LORON, Professeur à Polytech’ Nantes, et M. Mohamed
CHAABANE, Professeur à l’École Nationale d’Igénieurs de Sfax d’avoir accepté d’être rap-
porteursdecettethèse.
Jesuissensibleàl’honneurquemefaitM.JérômeBOSCHE,MaîtredeConférenceàl’Uni-
versité de Picardie Jules Verne d’accepter de participer au jury de cette thèse et à l’examen de
montravail.
Je remercie chaleureusement M. Wissam DIB, Ingénieur de recherche à l’Institut Français
du Pétrole et des Énergies Nouvelles, non seulement pour sa participation au jury, mais aussi
pour la collaboration durant ces trois années. Sans lui, l’expérimentation sur le banc SMILE
auraitétéimpossible.
Je remercie vivement tous ceux qui ont contribué de près ou de loin pour que ce travail
puissevoirlejour.
Mes remerciements s’adressent également au corps administratif et au personnel du Labo-
ratoired’Informatique etd’Automatique pourlesSystèmespourleurcollaboration.
i
ii
"Plus te voilà fort, plus tu prends les fautes à ta charge.
Elles te deviennent enseignements pour ta victoire."
Saint-Exupéry
À mes parents qui me sont les plus chers au monde et à qui je dois ce que je suis et
ce que je serai.
À mes sœurs, pour leur soutien et auxquelles je tiens à leur témoigner mon affection
et mon profond attachement.
À toutes les personnes que j’aime et qui me sont chères.
Veuillez trouver dans ce modeste travail un humble témoignage de mon amour et de
ma profonde gratitude. J’espère avoir été digne de votre confiance et à la hauteur de
vos espérances.
iii
iv
Table des matières
Notations 1
Introductiongénérale 3
Chapitre1ModélisationetcommandevectorielledelaMSAP 9
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Modélisationdelamachinesynchroneàaimantspermanents . . . . . . . . . . 12
1.2.1 ModélisationdelaMSAPdanslerepèretriphasé . . . . . . . . . . . . 12
1.2.2 ModélisationdelaMSAPdanslerepèrefixe . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.3 ModélisationdelaMSAPdanslerepèretournant . . . . . . . . . . . . 17
1.2.4 ModélisationdelaMSAPdanslerepèrehypothétique . . . . . . . . . 19
1.3 CommandevectorielledelaMSAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.1 Découplagedescourants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.2 Régulationdescourantsstatoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.3 Régulationdelavitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4 Résultatsdesimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Chapitre2ConceptiondecapteurslogicielsdepositionpourlaMSAP 27
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2 Capteurs logiciels de position pour un fonctionnement proche de la vitesse no-
minale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.1 Étuded’observabilité delaMSAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.2 Reconstructiondelapositionetdelavitesseàpartirdumodèledansle
repèreliéaustator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.2.1 Observateuràmodesglissants . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.2.2 Résultatsdesimulationdel’observateur àmodesglissants . . 39
v
Tabledesmatières
2.2.2.3 Présentationd’unobservateurnonlinéaire . . . . . . . . . . 42
2.2.2.4 Résultatsdesimulation del’observateurnonlinéaire . . . . . 43
2.2.2.5 Résultatsexpérimentaux:Observateurnonlinéaire . . . . . 47
2.2.3 Reconstructiondelapositionetdelavitesseàpartirdumodèledansun
repèreliéaurotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2.3.1 Reconstruction de la position et de la vitesse à partir du mo-
dèledanslerepère(d -q) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.2.3.2 Reconstruction de la position et de la vitesse à partir du mo-
dèledanslerepère(δ -γ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.2.3.3 Observations sur la convergence des observateurs basés sur
lemodèle(d-q)delaMSAP . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.3 Capteurslogicielsdepositionpourunfonctionnement àvitessefaible . . . . . 83
2.3.1 Lesméthodesbaséessurl’injection d’impulsions . . . . . . . . . . . . 83
2.3.2 LaméthodeINFORM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.3.3 Méthodesbaséessurl’injection designauxdehautefréquence . . . . . 84
2.3.3.1 L’injectiond’unsignaldehautefréquencerotatif . . . . . . . 85
2.3.3.2 L’injectiond’unsignaldehautefréquencealternatif . . . . . 87
2.3.4 Résultatsdesimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.4 Capteurs logiciels de position pour un fonctionnement sur une large plage de
vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.4.1 Utilisationdescoefficientsdepondération . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.4.2 Utilisationd’unemoyennepondérée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.4.3 Incorporation desquantitésHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
2.4.4 Autreméthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.4.5 Résultatsdesimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Chapitre3IdentificationdesparamètresdelaMSAP 103
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.2 IdentificationdelaMSAPenrotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.2.1 Lesalgorithmesd’identificationbaséssurlaméthodedesmoindrescarrés105
3.2.1.1 L’algorithmedesmoindrescarrés . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.2.1.2 L’algorithmedesmoindrescarrésrécursifs . . . . . . . . . . 105
3.2.1.3 L’algorithmedesmoindrescarrésrécursifsavecfacteurd’oubli106
3.2.1.4 Applicationàl’identification delaMSAP . . . . . . . . . . 107
vi
3.2.2 Lesalgorithmesd’identification baséssurlaméthodedumodèle . . . . 110
3.2.2.1 L’algorithmedugradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.2.2.2 L’algorithmedeNewton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.2.2.3 L’algorithmedeMarquardt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.2.3 Résultatsdesimulation del’identification delaMSAPenrotation . . . 112
3.2.4 Résultatsexpérimentaux del’identification delaMSAPenrotation . . 114
3.3 IdentificationdelaMSAPàl’arrêt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.3.1 Injection selonl’axed:estimationdeR etL . . . . . . . . . . . . . 115
s d
3.3.1.1 EstimationdeR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
s
3.3.1.2 EstimationdeL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
d
3.3.2 Injection selonl’axeq :estimationdeL . . . . . . . . . . . . . . . . 116
q
3.3.3 Résultatsdesimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.3.4 Résultatsexpérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Chapitre4Étudeprospectivesurlasynthèseglobaleobservateur/commande 125
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.2 Écrituredumodèlenominal en(d-q) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.3 Écrituredumodèleincertain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.4 Structuredel’observateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.5 Roborationdel’observateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.5.1 Dynamiquedel’observateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.5.2 Réductiondel’effetdev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.5.3 Lyapunovshapingparadigm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.6 Commandenominale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.6.1 Choixdelastructuredecommande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.6.2 CalculdeK pourleplacementdepôles . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.7 Analysedelarobustesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Conclusiongénérale 161
Annexes 165
AnnexeADescriptifdubancIUT 165
vii