Design, Optimization, and Sensorless Control of a Linear Actuator

156 Pages·2011·8.55 MB·English

Design, Optimization, and Sensorless Control of a Linear
Actuator
THÈSE NO 5187 (2011)
PRÉSENTÉE LE 4 NOVEMBRE 2011
À LA FACULTÉ SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR
LABORATOIRE D'ACTIONNEURS INTÉGRÉS
PROGRAMME DOCTORAL EN SYSTÈMES DE PRODUCTION ET ROBOTIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Joël MARIDOR
acceptée sur proposition du jury:
Prof. M.-O. Hongler, président du jury
Prof. Y. Perriard, Dr M. Markovic, directeurs de thèse
Prof. H. Bleuler, rapporteur
Prof. C. Espanet, rapporteur
Dr D. Ladas, rapporteur
Suisse
2011

Mamanquandj’s’raisgrand
J’voudraispasêtreétudiant
Alorstuserasunmoinsquerien
Ahouiçaj’veuxbien
—Renaud

Remerciements
J’aimeraisremerciertouteslespersonnesquiontpermisl’écrituredecettethèseparleursconseils,
avis, soutien et pardonnez-moi si j’en oublie certains ou si les mots n’expriment pas toute la
gratitudequevousméritez.
Jeremercietoutd’abordYvesquim’aaccueillipendant4ansetasucréerunenvironnementde
travailpropiceàunenrichissementprofessionneletpersonnel.
J’aimeraisensuiteremercierMika,monco-directeurdethèse,quim’asuivi,soutenu,conseillé,
éclairé et qui est en grande partie responsable de la réussite de cette thèse, Dimitrios et ses
collèguesdeSchneiderElectric,quiontapportéunregardindustrielàmontravailainsiquePaolo,
ChristianetAndréquiontétéindispensablesaubondéroulementpratiquedelathèse.
Je veux bien sûr remercier tous les collègues du LAI. Vous avez tous contribué à l’excellente
ambiance qui règne au Labo. Les pauses, les sorties, les Noëls, les vacances seront autant de
momentsquivontmemanquer.
Merciaussiauxétudiantsdesemestreetdemasterquim’ontaidéàrésoudrebiendesproblèmes
techniquesgrâceàleurtravail.
Letravailn’étantpastout,merciàlafamille,àmafilleuleJulie,auxamis,auFAYLYS,aufoot,
etàtousceuxquiontaussipermisquejepasse4ansformidables.
JetiensfinalementàremerciertoutspécialementmesfrèresSteveetYann,mespotesdetoujours
ainsiquemesparents,Rose-MarieetRaymond,quim’onttoujoursencouragé,soutenuetsans
quirienn’auraitétépossible.
v

Abstract
Electricalcontactorsarerelaysforinterputinghighcurrents(upto2000A).Theyconsistofthree
maindistinctparts: thelowvoltagecircuit,thehighvoltagecircuitandthelinearactuatorthat
movesthecontact. Thepurposeofthisthesisistodesign,optimizeandcontrolthemovingpart
ofalinearactuatorwithoutexternalsensor.
Indeed,itisveryimportanttocontroltheclosingspeedoftheactuatorinordertominimizethe
contacts wear. The speed should not be too fast so as not to damage the silver contacts at the
impactandnottooslowtoavoidmultiplearcs,whicherodethecontacts.
Thethesisisdividedintodifferentthemes: thesensorlesspositiondetection,theoptimizationof
theactuator,thesignalprocessingofthepositionandthespeedbyadaptingtheKalmanfilter,
andfinallythesensorlessspeedcontroloftheactuator’smovingpart.
Industrialconstraintsimpose,forreasonsofcost,apositiondetectionwithoutsensor. Todothis,
ahighfrequencysignal(1250Hz),namedscancurrent,issuperimposedtotheonethatdrives
theactuator’smovingpart. Then,thetotalcurrentisfilteredtoobtainonlythescancurrent. Its
amplitudedependsonthepositionbecausetheinductanceoftheactuatorwindindvariesgreatly
withthevalueoftheairgap. Itisthereforepossibletodetectthepositionusingonlytheprovided
lowvoltagecircuit.
The optimization of the actuator is made by combining genetic algorithms and finite element
modeling(FEM).Thefirstobjectivetobeachievedbytheoptimizeristominimizethematerial
cost of the actuator. Then, knowing the minimum price of the actuator, the cost becomes a
constraintwhenoptimizingforthebestpositiondetection. Theoptimalconfigurationpresented
inthethesispromotesthevariationofinductanceversusthepositionandthusallowsthebest
positiondetectionfollowingtheconstraintsdefinedbythespecifications.
The speed of the moving part is the derivative of the position but as this signal is noisy, the
resultingspeedisnotexploitableasitis. Becausethememoryofthemicrocontrollerislimited,
anadaptedKalmanfiltermethod,simpleandappropriate,isdevelopedtoallowfilteringofthe
positionandspeed.
Finally,thestudyofthespeedcontrolisfirstsimulatedusingMatlab-Simulinkinordertotest
differentcontrolstrategiesinbothopenandclosedloops. Theyarethenverifiedonthetestbench
withtheindustrialcontactorandtheoptimizedone.
Theresultsallowthevalidationofthedifferentlevelsofthemethodofdesign,optimizationand
sensorlesscontrolofalinearactuator.
vii
Remerciements
Keywords: Linearactuator,designforself-sensing,geneticalgorithms,optimization,sensorless
positiondetection,Kalmanfilter,speedcontrol.
viii
Résumé
Lescontacteursélectriquessontdesrelaispermettantd’interrompredefortscourants(jusqu’à
2000 A). Ils sont constitués de trois parties principales distinctes : le circuit basse tension, le
circuithautetensionetl’actionneurlinéairequipermetdedéplacerlescontacts.L’objetdecette
thèse est de concevoir, d’optimiser et de contrôler sans capteur externe la partie mobile d’un
actionneurlinéaire.
Eneffet,ilesttrèsimportantdecontrôlerlavitessedefermeturedel’actionneurpourpouvoir
minimiserl’usuredescontacts.Lavitessenedoitpasêtretroprapideafindenepasdétériorerles
contactsenargentàl’impact,nitroplentepouréviterdemultiplesarcsélectriquesquiéroderaient
lescontacts.
Lathèseestdiviséeendifférentsthèmes:ladétectiondepositionsanscapteur,l’optimisationde
l’actionneur,letraitementdessignauxdepositionetdevitesseparuneadaptationdufiltrede
Kalmanet,finalement,lecontrôlesanscapteurdelavitessedelapartiemobiledel’actionneur.
Lescontraintesindustriellesimposent,pourdesraisonsdecoût,unedétectiondepositionsans
capteur.Pourcefaire,uncouranthautefréquence(1250Hz),ditdemesure,estsuperposéau
courantpermettantlaconduitedelapartiemobiledel’actionneur.Ensuite,lecouranttotalest
filtré pour n’obtenir que le courant de mesure. L’amplitude de celui-ci est dépendante de la
positioncarl’inductancedelabobinedel’actionneurvariefortementavecl’entrefer.Ilestdès
lorspossiblededétecterlapositionenutilisantuniquementlecircuitbassetensionàdisposition.
L’optimisationdel’actionneurestfaiteencombinantlesalgorithmesgénétiquesàlamodélisation
parélémentsfinis(FEM).Lepremierobjectifquedoitatteindrel’optimiseurestdeminimiserle
coûtmatièredel’actionneur.Ensuite,connaissantleprixminimaldel’actionneur,lecoûtdevient
unecontraintelorsdel’optimisationpourunemeilleuredétectiondelaposition.Laconfiguration
optimaleprésentéedanslathèsefavoriselavariationdel’inductanceenfonctiondelaposition
etpermetdonclameilleuredétectiondepositionselonlescontraintesdéfiniesparlecahierdes
charges.
Lavitessedelapartiemobileestladérivéedelaposition,maiscesignalétantbruité,lavitesse
résultanten’estpasdutoutexploitabletellequelle.Lamémoiredumicrocontrôleurétantlimitée,
uneméthodeadaptéedufiltredeKalmanaétédéveloppéepourpermettrelefiltragedelaposition
etdelavitessedemanièresimpleetadéquate.
Pourfinir,l’étudeducontrôledelavitesseatoutd’abordétésimuléeàl’aidedeMatlab-Simulink
afindepouvoirtesterdifférentesstratégiesdecontrôletantenboucleouvertequ’enbouclefermée.
ix
Remerciements
Elles ont ensuite pu être vérifiées sur le banc de mesure avec le contacteur industriel, puis le
contacteuroptimisé.
Lesrésultatspermettentdevaliderlesdifférentspaliersdelaméthodedeconception,d’optimisa-
tionetdecontrôlesanscapteurd’unactionneurlinéaire.
Keywords:Actionneurlinéaire,conceptionpourl’auto-détection,algorithmesgénétiques,opti-
misation,détectiondepositionsanscapteur,filtredeKalman,contrôledelavitesse.
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