Commande en position et vitesse sans capteur mécanique de moteurs synchrones à aimants PDF
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Commande en position et vitesse sans capteur mécanique de moteurs synchrones à aimants permanents à pôles lisses: Application à un actionneur électromécanique pour aileron Aloïs Zgorski To cite this version: Aloïs Zgorski. Commande en position et vitesse sans capteur mécanique de moteurs synchrones à aimantspermanentsàpôleslisses: Applicationàunactionneurélectromécaniquepouraileron. Autre. INSA de Lyon, 2013. Français. NNT: 2013ISAL0012. tel-00864216 HAL Id: tel-00864216 https://theses.hal.science/tel-00864216 Submitted on 20 Sep 2013 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. NumØro d’ordre : AnnØe 2013 TH¨SE prØsentØe devant L’Institut National des Sciences AppliquØes de Lyon pour obtenir LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSIT(cid:201) DE LYON (cid:201)COLE DOCTORALE : (cid:201)LECTRONIQUE, (cid:201)LECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE SP(cid:201)CIALIT(cid:201) : G(cid:201)NIE (cid:201)LECTRIQUE par Alo(cid:239)s Zgorski Commande en position et vitesse sans capteur mØcanique de moteurs synchrones (cid:224) aimants permanents (cid:224) p(cid:244)les lisses. Application (cid:224) un actionneur ØlectromØcanique pour aileron. Mechanical sensorless position and speed control of non-saillent permanent magnet synchronous machine. Application to an electromechanical actuator for aileron. Soutenue le 21 FØvrier 2013 devant la Commission d’examen Jury : FADEL Maurice Professeur, INPT-ENSHEEIHT Rapporteur MENDES Eduardo Professeur, INPG-ESISAR Rapporteur LIN-SHI Xuefang Professeur, INSA de Lyon Directeur de ThŁse LOUIS Jean-Paul Professeur ØmØrite, ENS Cachan Examinateur RETIF Jean-Marie Professeur retraitØ, INSA de Lyon Examinateur MANCA Jean-Luc Sagem DØfense SØcuritØ Encadrant Industriel BRIDOT Eric Sagem DØfense SØcuritØ Examinateur LEYNART Fran(cid:231)ois-Noºl Messier-Buggatti-Dowty Examinateur Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0012/these.pdf © [A. Zgorski], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0012/these.pdf © [A. Zgorski], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés iii INSA Direction de la Recherche - Ecoles Doctorales - Quinquennal 2011-2015 SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE CHIMIE CHIMIEDELYON M. Jean Marc LANCELIN http://www.edchimie-lyon.fr UniversitØdeLyon-CollŁgeDoctoral B(cid:226)tESCPE 43bddu11novembre1918 69622VILLEURBANNECedex Insa:R.GOURDON TØl:0472431395 [email protected] E.E.A. ELECTRONIQUE, M. GØrard SCORLETTI ELECTROTECHNIQUE,AUTOMATIQUE EcoleCentraledeLyon http://edeea.ec-lyon.fr 36avenueGuydeCollongue 69134ECULLY SecrØtariat:M.C.HAVGOUDOUKIAN TØl:0472186097Fax:0478433717 [email protected] [email protected] E2M2 EVOLUTION,ECOSYSTEME, Mme. Gudrun BORNETTE MICROBIOLOGIE,MODELISATION CNRSUMR5023LEHNA http://e2m2.universite-lyon.fr UniversitØClaudeBernardLyon1 B(cid:226)tForel INSA:H.CHARLES 43bddu11novembre1918 69622VILLEURBANNECØdex TØl:0472431294 [email protected] EDISS INTERDISCIPLINAIRE M. Didier REVEL SCIENCES-SANTE H(cid:244)pitalLouisPradel http://ww2.ibcp.fr/ediss B(cid:226)timentCentral 28AvenueDoyenLØpine Sec:Sa(cid:28)aAITCHALAL 69500BRON Insa:M.LAGARDE TØl:0472684909Fax:0472354916 [email protected] INFOMATHS INFORMATIQUEET M. Johannes KELLENDONK MATHEMATIQUES UniversitØClaudeBernardLyon1 http://infomaths.univ-lyon1.fr INFOMATHS B(cid:226)timentBraconnier 43bddu11novembre1918 69622VILLEURBANNECedex TØl:0472448294Fax:0472431687 [email protected] MatØriaux MATERIAUXDELYON M. Jean-Yves BUFFIERE INSAdeLyon MATEIS B(cid:226)timentSaint-ExupØry SecrØtariat:M.LABOUNE 7avenueJeanCapelle PM:71.70-Fax:887.12 69621VILLEURBANNECØdex B(cid:226)t.Saint-ExupØry TØl:0472438318Fax0472438528 [email protected] Jean-yves.bu(cid:30)[email protected] Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0012/these.pdf © [A. Zgorski], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés iv SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE MEGA MECANIQUE,ENERGETIQUE,GENIE M. Philippe BOISSE CIVIL,ACOUSTIQUE INSAdeLyon LaboratoireLAMCOS B(cid:226)timentJacquard SecrØtariat:M.LABOUNE 25bisavenueJeanCapelle PM:71.70-Fax:887.12 69621VILLEURBANNECØdex B(cid:226)t.Saint-ExupØry TØl:0472437170Fax:0472437237 [email protected] [email protected] ScSo ScSo1 M. Lionel OBADIA UniversitØLyon2 86ruePasteur 69365LYONCedex07 Sec:ViviannePOLSINELLI TØl:0478697276Fax:0437280448 Insa:J.Y.TOUSSAINT [email protected] 1. ScSo:Histoire,GØographie,AmØnagement,Urbanisme,ArchØologie,Sciencepolitique,Sociologie, Anthropologie Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0012/these.pdf © [A. Zgorski], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés RØsumØ Le problŁme de la commande sans capteur mØcanique de la machine synchrone (cid:224) aimants permanents (MSAP) est un problŁme trŁs ØtudiØ dans le domaine de l’automa- tique et de l’Ølectrotechnique. Le travail prØsentØ s’intØresse au problŁme particulier de la commande sans capteur (cid:224) basse vitesse des MSAP (cid:224) p(cid:244)les lisses. L’objectif est de pro- poser une mØthode permettant de contr(cid:244)ler en position un actionneur ØlectromØcanique utilisØ dans un contexte aØronautique (ici pour des ailerons). Une Øtude thØorique des deux familles de machines, saillantes et non saillantes, a permis de montrer une di(cid:27)Ørence d’observabilitØ des modŁles de la MSAP selon la vitesse de la machine, avec en particulier une perte d’observabiltiØ (cid:224) basse vitesse pour les machines(cid:224)p(cid:244)leslisses.Pourpalliercetteperte,denouveauxmodŁlessontdØveloppØs,qui prennent en compte des vibrations de la machine, sollicitØe par une injection de signaux. Une nouvelle analyse, appliquØe (cid:224) ces modŁles, permet de garantir l’observabilitØ de la machine sur toute la gamme de vitesse, y compris (cid:224) l’arrŒt. Nous avons donc proposØ une approched’observationdelapositionetdelavitessebasØesurcesnouveauxmodŁlesavec une injection bien choisie. Contrairement aux mØthodes classiques basØes sur la saillance, cette approche est applicable (cid:224) tous les types de machine. Elle a ØtØ validØe sur plusieurs bancs d’essais par l’application d’un observateur de Kalman Øtendu. De nombreux tests ont ØtØ rØalisØs sur un benchmark dØdiØ aux applications industrielles. Les rØsultats ont montrØ les performances, la robustesse et les limites des observateurs proposØs. Nous nous sommes Øgalement intØressØs (cid:224) l’asservissement en vitesse sans capteur mØcanique de la machine, pour lequel nous avons proposØ deux mØthodes de synthŁse d’observateurs. La premiŁre est basØe sur la synthŁse d’un observateur LPV robuste par approche polytopique. La seconde utilise un observateur (cid:224) modes de glissement d’ordre deux (cid:224) gains adaptatifs. La faisabilitØ expØrimentale de ces deux observateurs a ØtØ dØmontrØe. Mots-clØs : machine synchonre (cid:224) aimants permanents, commande sans capteur mØcanique, actionneur ØlectromØcanique, mØthode d’estimation de la position (cid:224) basse vitesse v Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0012/these.pdf © [A. Zgorski], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés vi Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0012/these.pdf © [A. Zgorski], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés Abstract The issue of sensorless control of permanent magnet synchronous machine (PMSM) hasbeenwellstudiedinthe(cid:28)eldofautomationandelectricalengineering.Inthefollowing work,wewereinterestedinthepeculiarproblemoflow-speedsensorlesscontrolofsurface PMSM. The objective is to o(cid:27)er a new method for the position control of an industrial electro-mecanical actuator, considering an aeronautical context (a (cid:29)ap actuator). First, modeling and observability analyses of surface (non-salient) PMSM and inter- ior (salient) PMSM have been studied. A loss of observability can be especially found at low speed for models of non-salient machines. To overcome this loss, we have developped newmodels,thattakesintoaccountvibrationscausedbyasignalinjection.Atheoretical observability study of these latter models shows that observability is now guaranteed for the whole speed range, including standstill. We thus proposed an estimation method of the position and speed of the PMSM, based on these models, with a dedicated injec- tion signal. Unlike sallient-based methods that are only valid for sailent machines, our appoach can be used with all types of PMSM. An Extended Kalman Filter is used to observe the position, speed and eventually the load torque. The proposed approach was validatedonadedicatedtestbench.Manysimulationandexperimentaltestswereperfor- med on an industrial-oriented benchmark. Results showed the performances, robustness and limitations of the proposed observers. We have also studied speed sensorless control of the machine. Indeed, two observer syntheses have been presented. The (cid:28)rst one is based on robust synthesis of an LPV ob- serverusingapolytopicapproach.Thesecondmethodisanadaptative-gainsecond-order sliding mode observer. Experimental feasibility of the two methods has been demonstra- ted. Mots-clØs : permanent magnet synchronous motor, sensorless control, electromeca- nical actuator, low-speed position estimation method vii Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0012/these.pdf © [A. Zgorski], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés viii Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0012/these.pdf © [A. Zgorski], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés Table des matiŁres RØsumØ v Abstract vii Notations xiii AbrØviations et Indices xvii Introduction gØnØrale xix 1 ProblØmatique de la commande sans capteur mØcanique de la MSAP 1 1.1 PropriØtØs des machines synchrones (cid:224) aimants permanents . . . . . . . . . 3 1.2 Equations de la machine synchrone (cid:224) aimants permanents . . . . . . . . . 5 1.2.1 Comportement Ølectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.2 Comportement mØcanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 Commande classique de la MSAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4 Etat de l’art des mØthodes d’estimation de la position des MSAP . . . . . 13 1.4.1 RepŁres d’Øtude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.4.2 Observateurs moyenne et haute vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4.3 MØthodes utilisant la saillance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2 Mise en Øvidence de l’observabilitØ de la MSAP (cid:224) p(cid:244)les lisses (cid:224) basse vitesse 23 2.1 ModŁles d’Øtat classiques de la MSAP et leur observabilitØ . . . . . . . . . 24 2.1.1 ModŁle Ølectrique Øtendu aux FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.2 ModŁle Ølectrique Øtendu au (cid:29)ux permanent . . . . . . . . . . . . . 26 2.1.3 ModŁle Ølectrique et ØlectromØcanique . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1.4 Analyse des rØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 ix Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0012/these.pdf © [A. Zgorski], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés
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