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

TABLE DES MATIERES

RESUME i

ABSTRACT ii

AVANT-PROPOS iii

TABLE DES MATIERES v

LISTE DES FIGURES ix

INTRODUCTION GENERALE 1

PARTIE 1
ETUDE BIBLIOGRRAPHIQUE

CHAPITRE 1

MODELISATION DE LA MACHINE SYNCHRONE A AIMANTS PERMANENTS (MSAP) ET ETAT DE L'ART DE LA COMMANDE SANS CAPTEUR 4

I. INTRODUCTION 4

II. MODELISATION ET COMMANDE DE LA MSAP 5

1. Introduction 5

2. Généralité sur les machines synchrones 5

2.1. Machines Synchrones à rotors bobinés 5

2.1.1. Machines Synchrones à rotors bobinés à pôles lisses 6

2.1.2. Machines Synchrones à rotors bobinés à pôles saillants 6

2.2. Machines Synchrones à Aimants 6

2.3. Machines Synchrones à f.e.m sinusoïdale 7

3. Modélisation de la MASP pour la commande vectorielle 7

3.1. Expression des flux 7

3.1.1. Expression des flux induits sur les enroulements statoriques. 8

3.2. Expression des tensions 8

3.3. Expression du couple 9

3.4. Equation mécanique 10

3.5. Modèle de la machine dans le repère triphasé abc 10

4. Commande vectorielle de la MSAP 10

4.1. Hypothèses simplificatrices 11

4.2. Stratégies de Commande 11

4.3. Modélisation de la machine dans les référentiels diphasés 12

4.3.1. Modélisation de la machine dans le référentiel de PARK 12

Table des matières
	4.3.2. Modélisation de la machine dans le référentiel(á,â) 4.3.2.1. Transformation de Concordia 4.3.2.2. Equation aux tensions de la machine :		12 12 12
	4.4.	Principe de la commande vectorielle	13
	4.4.1.	Compensation et découplage	13
	4.4.2.	Schémas de principe de la commande vectorielle	14
	4.4.3.	Synthèse des régulateurs	14
	4.4.3.1.	Boucle de courant (boucle interne)	15
	4.4.3.2.	Boucle de tension (boucle de vitesse)	16
5.	Commande avec capteurs mécaniques (encodeur, resolver)		18
	5.1.	Principe	18
	5.2.	Limites de la commande avec capteurs mécaniques	18
	5.3.	Perspectives envisagées	18
6.	Conclusion		19

III. ETAT DE L'ART DES TECHNIQUES D'ESTIMATION DE LA POSITION ET DE LA VITESSE DESTINEE A LA COMMANDE SANS CAPTEURS 19

1. Introduction 19

2. Techniques utilisant les mesures algébriques 20

2.1. Méthodes utilisant les tensions et les courants pour calculer le flux

principal 20

2.2. Méthode utilisant la différence entre des prédictions modèle de la tension

du courant et leurs valeurs réelles 20

2.3. Méthode utilisant les équations, les paramètres connus de la machine et

les manipulations algébriques 21

3. Autres techniques d'estimation 21

	3.1.	Techniques utilisant l'acquisition de la f.e.m aux bornes de la machine ..21
	3.2.	Intégration de la f.e.m	21
	3.3.	Technique basée sur les réseaux de neurones	22
	3.4.	Technique basée sur la logique floue	22
4.	Techniques basées sur les observateurs		22
	4.1.	Observateur déterministe de Luenberger	23
	4.2.	Observateur à ordre réduit	23
	4.3.	Observateur à mode glissant	24
	4.4.	Estimateur Standard de Kalman	24
5.	Conclusion		24
IV.	CONCLUSION		25

PARTIE 2
ANALYSE ET MISE EN OEUVRE DES OBSERVATEURS DE POSITION POUR
LA COMMANDE DE LA MACHINE SYNCHRONE A AIMANTS PERMANENTS

CHAPITRE 2

DIMENSIONNEMENT DES OBSERVATEURS ET SIMULATION 27

I. INTRODUCTION 27

II. OBSERVATEUR DE POSITION DU ROTOR BASE SUR LA RECONSTRUCTION DES FLUX STATORIQUES 28

1. Introduction 28

2. Modèle de la machine dans le référentiel (á,â) 28

3. Equations d'état 28

4. Validation du modèle de la machine 29

4.1. Résultats de simulation de la Validation du modèle de la machine 29

5. Estimation de la position du rotor 30

5.1. Synthèse de l'Observateur de Luenberger d'ordre complet 30

5.1.1. Equations d'état et principe 30

5.1.2. Estimation de la position du rotor 32

5.1.3. Observabilité 33

5.1.4. Détermination de la matrice gain de l'observateur G 33

5.2. Estimation de la vitesse 34

5.3. Justification du choix des valeurs propres 35

5.4. Choix de valeurs propres dynamiques 35

5.5. Utilisation de l'observateur pour la commande de la machine 36

6. Simulation sous MATLAB SIMULINK 36

6.1. Résultats de simulation et interprétations 36

6.2. Simulation en tenant compte des bruits et de l'OFFSET 37

6.3. Simulation en pleine charge (charge nominale 0.8Nm) 39

7. Conclusion 40

III. OBSERVATEUR REDUIT DE POSITION BASE SUR LA RECONSTRUCTION DES FLUX STATORIQUES 41

1. Introduction 41

2. Equations d'état 41

3. Estimation de la position du rotor 41

3.1. Synthèse de l'Observateur réduit 41

3.1.1. Principe de l'observateur d'ordre réduit 42

3.1.2. Observabilité 42

3.1.3. Calcul du gain de l'observateur réduit Gr 43

3.1.4. Calcul de la matrice d'état réduit F = A₁₁ - G r A21 44

3.1.5. Calcul du gain K₀ = A₁₂ - G r A22 44

3.1.6. Calcul du gain B₀ =(B₁ -G _r B2) 44

3.2. Estimation de la vitesse 45

4. Justification du choix des valeurs propres 45

5. Choix de valeurs propres dynamiques 45

6. Simulation sous MATLAB SIMULINK 45

6.1. Résultats de simulation et interprétations 45

6.2. Simulation en tenant compte des bruits et de l'OFFSET 46

6.3. Simulation en tenant compte de la charge nominale 0.8Nm 47

7. Conclusion 48

IV. OBSERVATEUR REDUIT BASE SUR LA RECONSTRUCTION DE LA VITESSE 48

1. Introduction 48

2. Equations d'état 48

3. Estimation de la position du rotor 49

3.1. Synthèse de l'Observateur réduit 49

3.1.1. Principe de l'observateur réduit 50

3.1.2. Détermination des matrices de l'observateur 50

3.2. Estimation de la position du rotor 51

3.3. Choix des valeurs propres 51

4. Simulation sous MATLAB SIMULINK 52

4.1. Résultats de simulation et interprétations 52

5. Conclusion 53

V. CONCLUSION 53

CHAPITRE 3

VALIDATION EXPERIMENTALE - IMPLANTATION SUR DS1104 55

I. INTRODUCTION 55

II. IMPLANTATION DES DIFFERENTS OBSERVATEURS 56

1. Observateur d'ordre complet de la position du rotor, basé sur la reconstruction des flux statoriques 56

1.1. Considérations pratiques 56

1.2. Résultats et mesures expérimentaux de la commande 57

1.2.1. Faibles vitesses 57

1.2.2. Echelon de vitesse 57

1.2.3. Echelon de vitesse croissant 58

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

statoriques 59

2.1. Résultats et mesures expérimentaux de la commande 59

2.1.1. Faibles vitesses 59

2.1.2. Echelon de vitesse 60

2.1.3. Echelon de vitesse croissant 60

3. Essais en charge cas des deux observateurs 61

4. Conclusion 62

III. CONCLUSION 63

CONCLUSION GENERALE 64

ANNEXES 67

NOTATIONS 71

BIBLIOGRAPHIE 73

Articles 77

LISTE DES FIGURES

CHAPITRE 1 : MODELISATION ET ETAT DE L'ART DE LA COMMANDE SANS CAPTEUR DE LA MSAP

Figure I.1 : Machine à pôles saillants 6

Figure I.2 : Machine à pôles lisses 6

Figure I.3 Machine a fem sinusoïdale 7

Figure I.4 : Machine a fem trapézoïdale 7

Figure I.5 : Schéma monophasé équivalent 9

Figure I.6 : Diagramme vectoriel 9

Figure I.7 : Schéma synoptique de la commande avec onduleur contrôlé en courant 11
Figure I.8 : Diagramme vectoriel pour la stratégie 1 (Couple maximal 'P=0) 12

Figure I.9 : Schéma synoptique de la structure autopilotée avec capteur 14

Figure I.10 : Schéma bloc de principe de la commande vectorielle à flux orienté 14

Figure I.11 : Boucle de courant Id 15

Figure I.12 : Boucle de courant Iq 15

Figure I.13 : Boucle de tension (boucle de vitesse) 16

Figure I.14 : simplification de la boucle de tension 17

Figure I.15 : Boucle de vitesse en tenant compte de .ref(tr/ min) 17

Figure I.16 : Schéma synoptique de la commande avec observateur 22

CHAPITRE 2 : ETUDE ET SIMULATION

Figure II. 17 : Schéma de simulation du modèle d'état de la MSAP 29

Figure II.18 : Flux rotoriques Im _á , I_mp 30

Figure II.19 : Schéma de principe de l'Observateur d'état du modèle de la MSAP 34

Schémas de simulation : Observateur de Luenberger d'ordre complet

Figure II.20 : Couple Cem 36

Figure II.2 1 : Vitesses mesurée et estimée 36

Figure II.22 : Angles mesurée et estimée 37

Simulation en tenant compte des bruits et de l'OFFSET (plus proche de la réalité)

Figure II.23 : Couple électromagnétique 37

Figure II.24 : vitesses mesurée et estimée 37

Figure II.25 : Angles mesurée et estimée 37

ix

Figure II.26 : erreur de vitesse (tr/min) 37

Figure II.27 : erreur de position électrique 38

Valeurs propres dynamiques

Figure II.28 : Couple électromagnétique Cem 38

Figure II.29 : vitesses mesurée et estimée 38

Figure II.30 : Angles élec mesurée et estimée 39

Figure II.31 : erreur de vitesses (tr/min) 39

Figure II.32 : erreur angle électrique (rad) 39

Simulation en pleine charge (la charge nominale de notre machine est de 0. 8Nm)

Figure II.33 : Vitesses mesurée et estimée 40

Figure II.34 : erreur de vitesse pleine charge 40

Figure II.3 5 : erreur de position pleine charge 40

Schémas de simulation : Observateur réduit de position

Figure II.36 : schéma de principe de l'observateur réduit 43

Figure II.37 : Couple électromagnétique 45

Figure II.3 8 : Réponse de l'angle électrique 45

Figure II.39 : Vitesses estimée et mesurée 46

Figure II.40 : Erreur de position (rad) 46

Figure II.4 1 : erreur de vitesse 46

Simulation en tenant compte des bruits et de l'OFFSET (plus proche de la réalité)

Figure II.42 : Erreur de vitesse 47

Figure II.43 : vitesses mesurée et estimée 47

Figure II.44 : erreur de position 47

Figure II.45 : Angles élec mesuré et estimé 47

Simulation en pleine charge (la charge nominale de notre machine est de 0. 8Nm)

Figure II.46 : Couple électromagnétique 47

Figure II.47 : Angles élec mesuré et estimé 47

Figure II.48 : erreur de position 48

Schémas de simulation : Observateur de réduit de vitesse

Figure II. 49 : Schéma de principe de l'observateur réduit de vitesse 51

Figure II.50 : Couple électromagnétique 52

Figure II.5 1 : Vitesses estimée et mesurée 52

Figure II.5 2 : positions estimé et mesuré 52

Figure II.53 : erreur de vitesse (tr/min) 52

Figure II.54 : erreur de position elec (rad) 53

CHAPITRE 3 : VALIDATION EXPERIMENTALE

Figure III.55 : photographie du banc d'essai 56

Résultats expérimentaux : Observateur de Luenberger d'ordre complet Faibles vitesses

Figure III.56 : positions estimé et mesuré 57

Figure III.57 : erreur de position 57

Figure III.58 : vitesses mesurée et estimée 57

Echelon de vitesses

Figure III.59 : positions estimé et mesuré 58

Figure III.60 : erreur de position en degré 58

Figure III.6 1 : vitesses estimée et mesurée 58

Figure III.62 : courants id et iq 58

Echelon croissant

Figure III.63 : positions estimé et mesuré 59

Figure III.64 : erreur de vitesse (tr/min) 59

Figure III.65 : vitesses estimée et mesurée 59

Résultats expérimentaux : Observateur de Luenberger d'ordre complet Faibles vitesses

Figure III.66 : positions estimé et mesuré 59

Figure III.67 : erreur de position en degré 59

Figure III.68 : vitesse estimée et mesurée tr/min 60

Echelon de vitesses

Figure III.69 : positions estimé et mesuré 60

Figure III.70 : erreur de position en degré 60

Figure III.7 1 : vitesse estimée et mesurée tr/min 60

Figure III.72 : courants id et iq 60

Echelon croissant

Figure III.73 : positions estimé et mesuré 61

Figure III.74 : erreur de position en degré 61

Figure III.75 : Vitesse estimée et mesurée 61

Essais encharge pour les deux observateurs

xi

Figure III.76 : Vitesses estimée et mesurée 61

Figure III.77 : Vitesses estimée et mesurée 61

Figure III.78 : positions estimé et mesuré 62

Figure III.79 : positions estimé et mesuré 62

Figure III.80 : Erreur de position 62

Figure III.81 : Erreur de position 62

xii