Memoire Online - Etude, développement et mise en oeuvre de deux observateurs de position pour la commande sans capteurs de la Machine Synchrone à Aimants Permanents (MSAP)

L'objectif de toute notre étude est de réaliser enfin la commande vectorielle à flux orientée de la machine synchrone à aimants permanents sans utiliser de capteur mécanique. Dans le chapitre précédent nous avons fait l'étude des observateurs et nous avons fait la simulation de la commande sans capteur.

Dans ce chapitre, nous présenterons les résultats expérimentaux de l'implantation de la commande sans capteur à l'aide d'une carte DSP dédiée à ce genre d'application.

Nous commandons la machine numériquement à partir du PC via la carte DS1 104. Dans un premier lieu, nous allons présenter les résultats de la commande sans capteur en utilisant l'observateur d'ordre complet à vide et en charge, puis nous présenterons les résultats obtenus avec l'observateur réduit. Nous avons étudié et proposé dans le chapitre deux des valeurs propres dynamiques qui varient en fonction de la vitesse de rotation de la machine et nous avons simulé la commande pour les deux observateurs avec cette considération et nous avons obtenu des résultats très satisfaisants. Par contre en pratique, pour des raisons de limitation de vitesse nous n'avons pas testé cette nouvelle stratégie.

1. Observateur d'ordre complet de la position du rotor, basé sur la reconstruction des flux statoriques

Dans la pratique, nous remarquons que, en tenant compte de tous les problèmes qui existent réellement avec surtout les appareils de mesure, il nous a fallu modifier un tout petit peu le programme en insérant par exemple des filtres ou des corrections dans le schéma de commande.

Les essais pratiques ont été réalisés au sein du laboratoire des systèmes embarqués et de commande numérique de l'ENSA Marrakech dont nous présentons dans la figure ci- dessous la photographie du banc d'essais.

1.2. Résultats et mesures expérimentaux de la commande 1.2.1. Faibles vitesses

Dans un premier temps après avoir fait plusieurs essais pour la commande sans capteurs, nous avons déterminé la vitesse minimale avec laquelle notre observateur marche très bien pour la commande de la machine.

Nous remarquons à très faible vitesse plus précisément à partir de 35tr/min notre observateur peut remplacer le capteur mécanique. Nous avons relevé les courbes de vitesse de position et de l'erreur de position pour une vitesse relativement faible (50tr/min). Nous constatons bien ici que l'erreur de position électrique est très faible, la plage de variation de l'erreur ne dépasse pas 5° au maximum. C'est-à-dire que l'erreur de position mécanique est pratiquement nulle 1.666° (Figure III.57).

Concernant la vitesse nous voyons les deux courbes rouge (pour la vitesse mesurée) et bleue pour la vitesse estimée sont pratiquement collée. L'erreur de vitesse ne dépasse pas 5tr/min.

Figure III.56 : positions estimé et mesuré en
rad

Figure III.57 : erreur de position en degré

Nous appliquons un échelon de vitesse de 200tr/min à partir d'une vitesse de 100tr/min pour voir la dynamique en régime transitoire. On ne peut qu'apprécier l'exactitude des grandeurs estimées des courbes de la Figure III.59 pour la position et de la Figure III.61 pour ce qui est de la vitesse. L'erreur de position électrique ne dépasse pas 3° en valeur absolue. C'est-à-dire que l'erreur de position mécanique ne dépasse pas 1° tout comme la

simulation. Nous pouvons nous réjouir de ce résultat très satisfaisant qui confirme la robustesse de notre observateur.

Figure III.59 : positions estimé et mesuré (rad) Figure III.60 : erreur de position en degré

Figure III.61 : vitesses estimée et mesurée (tr/min) Figure III.62 : courants id et iq en A

La Figure III.62, nous montre l'évolution des courants id et iq suite à un échelon de vitesse. Nous remarquons un pic qui dépasse légèrement 3A au niveau de iq au moment où on applique l'échelon, ce qui est très évident. Ensuite le courant iq converge rapidement vers 0.6A qui correspond exactement à la valeur de iq pour la charge du couple résistant à vide de la MCC accouplée à notre MS qui est de 0. 14Nm.

Pour vérifier la poursuite et la variation de la vitesse de référence, nous avons pensé à appliquer une succession d'échelons de 50 à 700tr/min. Nous remarquons que la vitesse estimée tout comme celle mesurée suit parfaitement la consigne (Figure III.65). Les deux courbes de position estimé et mesuré sont parfaitement collées aussi (Figure II.63). Nous remarquons au niveau de l'erreur de position électrique de légères variations dues aux changements brusques de vitesses. Toutefois l'erreur de position ne dépasse pas 5° en valeur absolue.

Figure II.63 : positions estimé et mesuré en rad Figure II.64 : erreur de position en degré

2. Observateur réduit de position du rotor basé sur la reconstruction des flux statoriques

2.1. Résultats et mesures expérimentaux de la commande 2.1.1. Faibles vitesses

De même pour l'observateur à ordre réduit, nous déterminons la vitesse minimale pour laquelle la commande sans capteur marche sans problème. Nous présentons dans les Figure III.66, Figure III.67 et Figure III.68 les mesures en régime établi des positions estimée et mesurée, de l'erreur de position et des vitesses estimée et mesurée. Une des avantages de nos deux observateurs est la capacité à fonctionner même à de très faible vitesse avoisinant le zéro, une exigence que plusieurs techniques présentées auparavant dans la littérature n'arrivent pas à satisfaire.

Figure III.66 : positions estimé et mesuré en rad Figure III.67 : erreur de position en degré

Figure III.69 : positions estimé et mesuré (rad) Figure III.70 : erreur de position en degré

Figure III.71 : vitesse estimée et mesurée tr/min Figure III.72 : courants id et iq (A)

Nous obtenons presque les mêmes réponses que l'observateur à ordre complet. Sauf que pour cette fois nous remarquons que les bruits sur l'erreur de position électrique sont minimisés, bien que dans les deux cas cette erreur est pratiquement nulle.

2.1.3. Echelon de vitesse croissant

Nous appliquons à présent un échelon croissant de vitesse à partir de 50tr/min jusqu'à 700 tr/min, en passant par 200 et 400tr/min, comme nous l'avons fait pour le premier observateur.

Figure III.73 : positions estimé et mesuré (rad) Figure III.74 : erreur de position en degré

La poursuite est parfaite et l'erreur de position est toujours très faible sauf qu'elle présente des petits pics aux instants d'accélération ce qui est très normal. Toutefois la plage de variation de l'erreur dans ces conditions est de 5° comme nous le constatons dans la Figure III.74 en valeur absolue. Concernant l'erreur de position mécanique elle ne dépassera pas le tiers de 5 (1.666°) puisque nous avons une machine à trois paires de pôle.

Nous allons faire des essais en charge pour les deux observateurs et nous allons faire une comparaison sur la vitesse, la position et l'erreur de position plus particulièrement.

Dans cette section, nous avons présenté les résultats de simulations réalisées sous les mêmes conditions, de l'observateur de Luenberger (ordre complet) et de l'observateur à ordre réduit que nous avons proposé. Nous ne pouvons qu'affirmer l'efficacité des deux observateurs car comme nous avons constaté dans l'analyse des résultats expérimentaux de la commande sans capteur, l'erreur de position dans les deux cas est quasi nulle pour ce qui de l'essai à vide. Nous avons vu que l'erreur de position mécanique ne dépasse pas 1.667° en valeur absolue et ce, en régime transitoire. En régime permanent elle ne dépasse pas un degré pour les deux cas de figure.

Concernant l'essai en charge, nous allons toujours nous limiter en terme de vitesse. La vitesse mesurée est de 670tr/min en pleine charge, tandis que la vitesse estimée la dépasse légèrement. Ceci est dû à notre méthode d'estimation de la vitesse qui ne prend pas en compte un terme contenant le courant. Alors que le courant est étroitement lié à la charge. Nous voyons dans les Figure III.80 et Figure III.81 que l'erreur de position pour les deux observateurs est très faible bien que nous avons chargé la machine avec un couple résistant presque quasi égal au couple nominale en charge. Dans la conclusion générale nous allons présenter pour les perspectives envisagées, l'idée de proposer une technique mieux adaptée à l'estimation de la vitesse aussi bien à vide qu'en charge. L'observateur est insensible à la charge.

Nous avons consacré ce chapitre à la présentation des résultats de l'implantation de la commande vectorielle sans capteur de la machine synchrone à aimants permanents dans un environnement pratique réel.

Comme nous l'avons constaté, nos deux observateurs nous donnent une excellente estimation de la position et de la vitesse, aussi bien en régime transitoire qu'en régime permanent, à vide et en charge.

Etude, développement et mise en oeuvre de deux observateurs de position pour la commande sans capteurs de la Machine Synchrone à Aimants Permanents (MSAP)

CHAPITRE 3

VALIDATION EXPERIMENTALE - IMPLANTATION SUR DS1104

2.1.3. Echelon de vitesse croissant