CentraleSupélec THÈSE DE DOCTORAT Maud GEOFFRIAULT Réduction active des vibrations et ...

160 Pages·2015·12.55 MB·French

n◦ d’ordre : 2015-03-TH
CentraleSupélec
ECOLE DOCTORALE STITS
« Sciences et Technologies de l’Information des Télécommunications et des Systèmes »
THÈSE DE DOCTORAT
DOMAINE : STIC
Spécialité : Automatique
Soutenue le 3 février 2015
Par :
Maud GEOFFRIAULT
Réduction active des vibrations et des bruits d’une
machine électrique par la stratégie de commande
Directeur de la thèse : Emmanuel GODOY Professeur (CentraleSupélec)
Co-encadrants : Dominique BEAUVOIS Professeur (CentraleSupélec)
Gwennaël FAVENNEC Ingénieur (Renault)
Composition du jury :
Président du Jury : Vincent LANFRANCHI Professeur des Universités
(Université Technologique de Compiègne)
Rapporteurs : Michel BASSET Professeur des Universités
(Université de Haute-Alsace)
Mickaël HILAIRET Professeur des Universités
(Université de Franche-Comté)
Examinateurs : Dominique BEAUVOIS Professeur (CentraleSupélec)
Demba DIALLO Professeur des Universités (Université Paris-Sud)
Gwennaël FAVENNEC Ingénieur (Renault)
Emmanuel GODOY Professeur (CentraleSupélec)
Louis HUMBERT Ingénieur (BMW)

Pour mes parents, qui m’ont accompagnée jusqu’ici
Pour mes sœurs et mon frère que j’aime tant
Pour Thomas

Remerciements
Je voudrais commencer par exprimer ma reconnaissance à Emmanuel Godoy, mon
directeur de thèse, pour sa présence et son implication tout au long de ma thèse. Manu,
cette présence et cette implication ont été précieuses pour mener à bien ce travail et j’ai
apprécié de travailler avec toi pendant ces trois ans.
Je souhaite remercier aussi Dominique Beauvois à Supélec pour son encadrement tech-
niqueenAutomatiqueainsiqueGwennaëlFavennecàRenault, quiamisenplacecesujet.
Merci Gwen pour tes conseils constructifs et pour tout ce que j’ai pu apprendre à tes côtés
à Renault.
Je voudrais remercier également Christophe Develay, chef de l’UET GMP Electrique
et Chaine Cinématique à Renault pour son accueil au sein de son équipe.
Je n’oublie pas Patrick Boucher et Didier Dumur, qui m’ont accueillie au Département
Automatique et qui ont contribué à faire de ces trois années une réussite.
Un grand merci également à Michel Basset et Mickaël Hilairet pour avoir accepté
d’être rapporteurs sur cette thèse.
Mes remerciement vont ensuite à Vincent Lanfranchi pour avoir accepté de présider
mon jury de thèse, ainsi qu’à Demba Diallo pour avoir accepté de participer à ce jury.
Je souhaite également remercier Louis Humbert d’avoir accepté de participer à mon
jury de thèse, ainsi que pour sa collaboration constructive à ce travail.
Du côté de Renault, je voudrais remercier les membres de mon UET, Jacques, Didier,
David, Jacques, Sameh, Issam, Jean-Louis, Vincent, merci pour les bons moments passés
avec vous. Je ne peux pas citer tout le monde, mais tout ceux que j’ai cotoyés au L55 se
reconnaitront dans ces remerciements, je l’espère. J’ai une pensée particulière pour Phi-
lippe, et Jean-Luc ainsi que Nicolas son jeune Padawan dont j’ai pu faire la connaissance
durant ma dernière série d’essais.
Pour la partie mécanique, j’ai pu compter sur l’aide et les conseils de Guillaume Puel,
que je remercie vivement pour sa collaboration.
Je remercie du fond du cœur l’ensemble des membres permanents du Département
Automatique de Supélec, pour leur accueil inestimable au sein de l’équipe. Je n’oublierai
pas ces trois années passées parmi vous.
Que serait le département Automatique sans ses doctorants (et post-doctorants!) :
Younane, Julien, Serge, Ali, qui ont été là à mes débuts au département, Christophe, qui
a commencé sa thèse en même temps, Vasso, Marjorie, Vanessa et tous ceux qui j’ai pu
oublier de citer.
Une pensée pour Miassa, qui a partagé mon bureau pendant deux ans, et pour Sophie
quiestvenuenousrejoindre.Mercilesfillespourtouteslesdiscussionsettouslesmoments
iii
de détente que nous avons pu partager, et que nous continuerons (longtemps je l’espère!)
de partager. Votre présence, dans les moments de détente comme dans les moments de
stress m’a été précieuse.
Merci à Thomas, qui a su m’écouter, me comprendre, me soutenir et surtout me
supporter dans tous les sens du terme pendant ces trois années pas toujours faciles, tout
en menant à bien son propre travail de thèse.
Enfin je pense à mes parents et à ma famille, qui m’ont soutenue dans ce projet, et
qui ont pris le temps de relire l’orthographe de ce manuscrit.
iv
Table des matières
1 Vibrations et réduction : état de l’art 3
1.1 Bruits et vibrations dans un véhicule électrique . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Bruits et vibrations dans un véhicule thermique . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Bruits spécifiques au véhicule électrique . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Bruits et vibrations d’origine électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Efforts électromagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Vibrations du stator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.3 Création du bruit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Amélioration du bruit d’une machine électrique . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 Limitation des harmoniques spatiaux . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 Décalage des harmoniques temporels . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.3 Limitation des harmoniques temporels . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.4 Empêcher les vibrations du stator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4 Réduction active de vibrations dans d’autres domaines . . . . . . . . . . . 18
1.4.1 Vibrations dans l’automobile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.2 Commande de systèmes élastiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.3 L’observation pour réduire les oscillations . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.4 Contrôle actif de bruit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5 Positionnement de l’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 Modélisation 23
2.1 Modèle mécanique du stator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.1 Approximation par un anneau mince . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.2 Approximation par un cylindre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.3 Vers un modèle plus réaliste du stator . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2 Modèle électrique de la machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.1 Équations en triphasé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.2 Transformation de Park . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.3 Représentations d’état du modèle de la machine . . . . . . . . . . . 42
2.2.4 Non-linéarité du modèle de la machine . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.5 Découplage des axes d et q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3 Harmoniques dans les différents repères . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.3.1 Effet de la transformation de Park sur les harmoniques . . . . . . . 47
2.3.2 Harmoniques vibratoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.3 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
v
TABLE DES MATIÈRES
2.4 Présentation de la régulation principale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.5 Conclusions partielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3 Identification 55
3.1 Conditions expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.1 Description du banc vibratoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.2 Contraintes inhérentes à l’expérimentation . . . . . . . . . . . . . . 58
3.1.3 Choix du point de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2 Méthodes d’identification pour la machine électrique . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.1 Signaux d’excitation utilisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.2 Procédure d’identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.3 Validation du modèle électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.1 Identification en simulation du modèle complet . . . . . . . . . . . 74
3.3.2 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.3 Prise en compte des variations de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.3.4 Conclusions partielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4 Stratégies de commande dédiées au NVH 93
4.1 Formalisation du problème de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2 Régulation H-infini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.1 Bref rappel sur la synthèse H-infini . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.2 Application à la réduction d’harmoniques . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2.3 Loi de commande synthétisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.4 Validation en simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3 Compensation par observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.3.1 Modélisation de l’origine de l’harmonique de courant visé . . . . . . 103
4.3.2 Etude de principe : approche à temps continu . . . . . . . . . . . . 103
4.3.3 Adaptation à la réalisation en temps discret . . . . . . . . . . . . . 107
4.4 Analyse de robustesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.4.1 Évaluation des marges de stabilité garanties . . . . . . . . . . . . . 116
4.4.2 Analyse de la robustesse vis-à-vis d’incertitudes paramétriques . . . 117
4.4.3 Analyse de la robustesse pour les lois de commande proposées . . . 119
4.5 Comparaison : résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.5.1 Résultats expérimentaux pour la commande H-infini . . . . . . . . 122
4.5.2 Résultats expérimentaux pour l’observateur à temps continu . . . . 122
4.5.3 Résultats expérimentaux pour l’observateur à temps discret . . . . 124
4.5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5 Conclusions et perspectives 129
5.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
A Identification des modèles d’ordre 1 139
B Robustesse vis-à-vis d’incertitudes paramétriques 143
vi
TABLE DES MATIÈRES
C Acronymes et notations utilisés 147
vii