Pour l'optimisation de la commande des machines synchrones à aimants permanents en régime

226 Pages·2017·9.07 MB·French

by  Léopold Sepulchre

En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par :
Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Discipline ou spécialité :
Génie Électrique
Présentée et soutenue par :
M. LEOPOLD SEPULCHRE
le mardi 28 mars 2017
Titre :
Pour l'optimisation de la commande des machines synchrones à aimants
permanents en régime de haute vitesse pour véhicule électrique
Ecole doctorale :
Génie Electrique, Electronique, Télécommunications (GEET)
Unité de recherche :
Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (LAPLACE)
Directeur(s) de Thèse :
M. MAURICE FADEL
MME MARIA PIETRZAK-DAVID
Rapporteurs :
M. EMMANUEL GODOY, SUPELEC
Mme XUEFANG LIN-SHI, INSA LYON
Membre(s) du jury :
1 M. MOHAMED BOUSSAK, ECOLE CENTRALE DE MARSEILLE, Président
2 M. GUILLAUME PORTE, ACTIA, Membre
2 M. MAURICE FADEL, INP TOULOUSE, Membre
2 Mme MARIA PIETRZAK-DAVID, INP TOULOUSE, Membre

Pour l’optimisation de la commande des machines synchrones à aimants
permanents en régime de haute vitesse pour véhicule électrique

Résumé

Dans ce travail nous cherchons à développer des algorithmes de commande adaptés
au fonctionnement à haute vitesse d’une machine synchrone à aimants permanents
(MSAP) et de son onduleur en optimisant l’efficacité énergétique de l’ensemble. Bien que
la vocation soit très large, le domaine de la traction électrique est priorisé. Les MSAP
tournant à haute vitesse sont de plus en plus utilisées dans les véhicules électriques en
raison de leur forte densité de puissance. La haute vitesse implique une force
électromotrice élevée et requiert la réduction du flux (défluxage) dans l’entrefer. Lors d’un
fonctionnement de la machine en régime défluxé, si la contribution de l’aimant peut-être
totalement compensée alors nous pouvons utiliser une stratégie Maximum Torque Per
Volt (MTPV) pour générer les consignes de courant qui respectent les limites électriques
théoriques quelle que soit la vitesse de rotation de la machine. En l’absence de boucle de
vitesse, le couple de référence doit être limité aux points de fonctionnement atteignables,
calculés en fonction des limites de courant (limites onduleur et machine), tension (batterie)
et puissance (batterie et partie mécanique). Nous proposons ainsi dans cette thèse de
calculer les références de courant avec une stratégie MTPA (Maximum Torque Per
Ampere) à basse vitesse et d’utiliser un algorithme de défluxage fondé sur une régulation
de la norme de la tension associée à une stratégie MTPV à haute vitesse, sans commutation
d’algorithme mais par une action continue sur la valeur de la saturation de courant.
Concernant la boucle de courant nous réalisons une commande numérique dans le repère
d-q qui tient compte de la discrétisation, du retard (dû au temps de calcul), et du fort
couplage inter-axes à haute vitesse sous des critères de précision, stabilité et rapidité. Nous
étudions les stratégies de découplage minimal et de découplage discret avec prédiction de
la variation du courant. Les approches par régulateurs avec structure RST et par
commande prédictive-optimale sont développées. Une prédiction de la position réelle du
rotor est incluse afin de conserver la stabilité à haute vitesse. Finalement nous réalisons
une maquette avec une MSAP à échelle réduite sur laquelle nous testons ces stratégies de
commande. Nous validons par expérience que l’algorithme proposé dans la thèse est
capable de piloter la machine à haute vitesse en respectant les limites électriques et nous
vérifions qu’il améliore les performances (couple, vitesse maximale, pertes) obtenues à
haute vitesse.

Mots clés : Machine Synchrone à Aimants Permanents - Haute Vitesse - Défluxage - Maximum
Torque Per Volt - Commande Numérique – Découplage

Summary

In this work we search to develop control algorithms adapted to the high speed
operation of a permanent magnet synchronous motor (PMSM) and its inverter by
optimizing the energy efficiency of the set. Although the vocation is very broad, the field
of electric traction is prioritized. High speed PMSMs are increasingly used in electrical
vehicles because of their high power density. The high speed implies a high electromotive
force and requires the reduction of the flux (flux-weakening) in the air gap. When the
motor is running in flux-weakening mode, if the contribution of the magnet can be fully
compensated then we can use a Maximum Torque Per Volt (MPTV) strategy to generate
the current references that meet the theoretical limits regardless of the machine rotation
speed. In the absence of a speed loop the reference torque must be limited to the achievable
operating points, calculated according to the current limits (inverter and machine limits),
voltage (battery) and power (battery and mechanical part). We propose in this thesis to
calculate the current reference with Maximum Torque Per Ampere (MTPA) strategy at
low speed and to use a flux-weakening algorithm based on a regulation of the voltage
norm associated with a MTPV strategy at high speed without switching algorithms but by
a continuous action on the value of the current saturation. Concerning the current loop,
we carry out a numerical control in the d-q frame which takes into account the
discretization, the delay (due to the computation time), and the high inter-axis coupling
at high speed under criteria of precision, stability and speed. We study the strategies of
minimal decoupling and discrete decoupling with prediction of the variation of the
current. The approaches by regulators with RST structure and predictive-optimal control
are developed. A prediction of the actual rotor position is included to maintain the stability
at high speed. Finally a real model with a reduced scale PMSM is realized on which these
control strategies are tested. We validate by experiment that the algorithm proposed in
the thesis is able to control the machine at high speed respecting the electrical limits and
verify that it improves the performances (torque, maximum speed, losses) obtained at high
speed.

Keywords: Permanent Magnet Synchronous Motor – High Speed – Flux-weakening –
Maximum Torque Per Volt – Digital Control – Decoupling

Avant-propos

Ces travaux de recherche s’inscrivent dans le cadre d’une collaboration entre
l’entreprise ACTIA AUTOMOTIVE et le Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie
(LAPLACE) au sein du groupe Commande et Diagnostique des Systèmes Electriques
(CODIASE).
Tout d’abord je remercie Monsieur Pierre NARAT, directeur de la branche véhicule
électrique à ACTIA pour m’avoir accueilli au sein de l’entreprise en me permettant de
réaliser cette thèse.
Je témoigne toute ma gratitude à Maurice FADEL et Maria PIETRZAK-DAVID pour
avoir encadré ma thèse. Merci pour votre patience et pour m’avoir fait confiance. Merci
pour votre soutien, votre aide et vos conseils durant ces trois années.
Je remercie Monsieur Guillaume PORTE, ingénieur chez ACTIA, pour nos régulières
discussions constructives à propos du projet. Merci pour ta gentillesse et ta générosité.
J’adresse également mes remerciements aux autres membres du Jury :
- Madame Xuefang LIN-HI, Professeur à l’INSA Lyon, pour avoir accepté d’être
rapporteur. Merci pour avoir relu minutieusement ce manuscrit et pour vos
questions pertinentes.
- Monsieur Emmanuel GODOY, Professeur à l’école Centrale Supélec, pour avoir
également accepté d’être rapporteur. Merci pour vos remarques constructives
apportées au mémoire et à la soutenance.
- Monsieur Mohamed BOUSSAK, Professeur à l’école Centrale de Marseille, pour
m’avoir fait l’honneur d’être président du Jury et pour avoir examiné ce travail.
Mes remerciements vont aussi à tous les membres de l’équipe travaillant sur le
véhicule électrique chez ACTIA. En particulier merci Bernard DUTRIEU pour tes conseils
pleins d’expérience sur les convertisseurs statiques. Merci Vincent MALISOVA et Michel
SABLEYROLLES pour m’avoir soutenu concernant la gestion du projet.
J’adresse ma gratitude à toutes les personnes du LAPLACE que j’ai côtoyé durant cette
période. Notamment merci Valérie SCHWARZ, Catherine MOLL MAZELLA et Carine
BASTIE pour votre efficacité concernant les démarches administratives. Merci Olivier
DURRIEU pour ton aide précieuse lors de la réalisation de la maquette expérimentale au
LAPLACE. Merci Jaques BENAIOUN pour tes services relatifs à l’informatique. Enfin
chers amis doctorants, un grand MERCI à vous tous pour ces moments partagés et pour
votre sympathie. Je vous en serai toujours reconnaissant.
Ces trois années n’auraient pas pu être possible sans le soutien de mes amis essentiels
à mon épanouissement. Merci Adrien, Violaine, Maxime, Shan, et Sandra pour ces joies
communes, que notre amitié puisse continuer à toujours s’enrichir. Merci Audric,
Emanuel, Baptiste et Cassandre pour me pousser à toujours grandir. Merci Nilson pour
ton écoute. Je tiens à remercier particulièrement Fix, Ivan et Pedro pour notre groupe de
Avant-propos ii

musique MuffinHeads. A travers ce groupe vous avez véritablement marqué ma vie en
bien et je suis fier de vous. Finalement je témoigne mon amitié affectueuse aux gars du
bureau Khaled, Kiwi et Sami. On est resté soudé dans les fous rires et les galères. Quelle
joie que de vous avoir comme amis !
Pour terminer mes pensées vont à ma famille. Merci chers parents pour vos
encouragements, votre soutien et votre dévouement constant. Merci mes frères pour
l’inspiration et la joie que vous me donnez, vous êtes extraordinaires. Enfin je remercie
mon grand-père, pour son humilité, sa gentillesse et sa bienveillance exemplaire. Je vous
dédie ce manuscrit, recevez-le comme le témoin de ma reconnaissance.