Le problème de la commande sans capteur mécanique de la machine synchrone à aimants permanents (MSAP) est un problème très étudié dans le domaine de l'automatique et de l'électrotechnique. Le travail présenté s'intéresse au problème particulier de la commande sans capteur à basse vitesse des MSAP à pôles lisses. L'objectif est de proposer une méthode permettant de contrôler en position un actionneur électromécanique utilisé dans un contexte aéronautique (ici pour des ailerons). Une étude théorique des deux familles de machines, saillantes et non saillantes, a permis de montrer une différence d'observabilité des modèles de la MSAP selon la vitesse de la machine, avec en particulier une perte d'observabiltié à basse vitesse pour les machines à pôles lisses. Pour pallier cette perte, de nouveaux modèles sont développés, qui prennent en compte des vibrations de la machine, sollicitée par une injection de signaux. Une nouvelle analyse, appliquée à ces modèles, permet de garantir l'observabilité de la machine sur toute la gamme de vitesse, y compris à l'arrêt. Nous avons donc proposé une approche d'observation de la position et de la vitesse basée sur ces nouveaux modèles avec une injection bien choisie. Contrairement aux méthodes classiques basées sur la saillance, cette approche est applicable à tous les types de machine. Elle a été validée sur plusieurs bancs d'essais par l'application d'un observateur de Kalman étendu. De nombreux tests ont été réalisés sur un benchmark dédié aux applications industrielles. Les résultats ont montré les performances, la robustesse et les limites des observateurs proposés. Nous nous sommes également intéressés à l'asservissement en vitesse sans capteur mécanique de la machine, pour lequel nous avons proposé deux méthodes de synthèse d'observateurs. La première est basée sur la synthèse d'un observateur LPV robuste par approche polytopique. La seconde utilise un observateur à modes de glissement d'ordre deux à gains adaptatifs. La faisabilité expérimentale de ces deux observateurs a été démontrée.

La commande sans capteur mécanique de la machine synchrone à aimants permanents est un sujet largement répandu dont les plus grandes difficultés connues, quel que soit l’observateur utilisé, sont celui du démarrage à vitesse nulle et plus largement de la commande aux basses vitesses, et celui du rejet des fortes perturbations du couple. Afin d’y faire obstacle, diverses adaptations des algorithmes d’observateur ont été proposées afin d’améliorer le comportement de la machine en commande sans capteur. Par ailleurs, il est couramment admis que les déchets de tension produit par l’onduleur sont nuisibles à l’observation de la position, les tensions de référence étant légèrement différentes des tensions appliquées aux enroulements de la machine. Quelques propositions apparaissent dans certaines publications notamment en établissant un algorithme de compensation. C’est ainsi que les travaux de cette thèse portent sur cette thématique, celle d’améliorer la commande sans capteur dans les situations d’observabilité difficile en proposant une solution originale afin de faire correspondre au mieux les tensions appliquées à la machine et les tensions de référence utiles à l’observateur. Les résultats montrent que la solution proposée et largement analysée améliore considérablement le comportement de la machine en commande aux basses vitesses et en rejet de perturbation, tant en régime permanent qu’en régime transitoire ; une analyse de Fourier des courants mesurés atteste l’efficacité de la méthode et une analyse des grandeurs observées par la statistique descriptive met en lumière l’intérêt de l’algorithme. Nous montrons ainsi que la solution proposée permet d’observer la vitesse et la position en deçà de la vitesse mécanique de 15 rad/s alors que la commande est instable en deçà de 20 rad/s quand la solution n’est pas mise en œuvre. Un constat similaire apparaît en rejet de perturbation. D’autres résultats montrent que l’observation à plus basse vitesse est entachée d’une perturbation liée à un couple pulsatoire dont l’origine peut être le couple de détente, lequel n’est pas pris en compte par le modèle de la machine. / The sensorless control of the permanent magnet synchronous machine is a subject widely spread. Two great difficulties are known; (i) the start at nil initial speed and more generally the control at very low speed whatever the observer used and (ii) the high torque disturbance rejection. In order to hinder these difficulties numerous modifications of observer algorithms were proposed to improve the performances of the permanent magnet synchronous machine sensorless control. Moreover, we admit commonly that the drop voltages due to the inverter are prejudicial to the position estimated, because the difference between the voltage reference transmitted to the PWM (pulse width modulation) and the motor winding voltage is not negligible at low speed and low load torque. According to the literature, several papers propose some solutions by compensation algorithms and voltage estimator in particular. So, the goal of this thesis is to estimate the winding voltage and to apply the state observer by Extended Kalman Filtering to improve more finely the sensorless control. We propose an original solution to estimate the voltage references which is applied to the observer. Numerous experimental results show the attractive effects in marked contrast to the sensorless control results without estimation of the winding voltages. The results of sensorless control show that the solution proposed which widely analysed improves significantly the estimation errors of the motor running in low speed range and low torque disturbances range. Fourier analyses and statistic data obtained in steady state speed and results during the transient response indicate complementary results and highlight the interest of the estimation algorithm. Our study brings out that the estimation error reduction allows to running the motor at mechanical speed short of 15 rad/s. In the other hand, the system is instable with speed short of 20 rad/s if the voltage references are used by the observer rather than the estimation voltages. The same improvement appears in disturbance rejection. Other results show that the estimated position errors at lower speed increases in spite of the estimation algorithm. In fact, the torque disturbances are dominant at low speed, low load torque and are harmful to control the electromagnetic torque.

Le travail présenté dans cette thèse a pour objectif d'apporter une contribution aux méthodes de commande et d'observation des machines asynchrones destinées à la traction électrique. Dans ce contexte, plusieurs algorithmes ont été développés et implémentés. Après une présentation rapide de la commande vectorielle classique, de nouvelles approches de commande non linéaire sont proposées : il s'agit plus précisément de la commande backstepping classique et sa variante avec action intégrale. Une deuxième partie est consacrée à l'observation et à l'estimation des paramètres et des états de la machine, basée sur des structures MRAS-modes glissants d'une part et sur des structures de filtrage synchrone d'autre part. Une analyse détaillée du problème de fonctionnement à basse vitesse nous a conduit à proposer une solution originale dans le cadre d'une commande sans capteur mécanique. Le problème de la dégradation du couple en survitesse a été traité par un algorithme de défluxage basé sur la conception d'un contrôleur de tension. Enfin, nous avons proposé un algorithme d'optimisation afin de minimiser les pertes dans l'ensemble Onduleur-Machine

Le problème de la commande sans capteur mécanique de la machine synchrone à aimants permanents (MSAP) est un problème très étudié dans le domaine de l'automatique et de l'électrotechnique. Le travail présenté s'intéresse au problème particulier de la commande sans capteur à basse vitesse des MSAP à pôles lisses. L'objectif est de proposer une méthode permettant de contrôler en position un actionneur électromécanique utilisé dans un contexte aéronautique (ici pour des ailerons). Une étude théorique des deux familles de machines, saillantes et non saillantes, a permis de montrer une différence d'observabilité des modèles de la MSAP selon la vitesse de la machine, avec en particulier une perte d'observabiltié à basse vitesse pour les machines à pôles lisses. Pour pallier cette perte, de nouveaux modèles sont développés, qui prennent en compte des vibrations de la machine, sollicitée par une injection de signaux. Une nouvelle analyse, appliquée à ces modèles, permet de garantir l'observabilité de la machine sur toute la gamme de vitesse, y compris à l'arrêt. Nous avons donc proposé une approche d'observation de la position et de la vitesse basée sur ces nouveaux modèles avec une injection bien choisie. Contrairement aux méthodes classiques basées sur la saillance, cette approche est applicable à tous les types de machine. Elle a été validée sur plusieurs bancs d'essais par l'application d'un observateur de Kalman étendu. De nombreux tests ont été réalisés sur un benchmark dédié aux applications industrielles. Les résultats ont montré les performances, la robustesse et les limites des observateurs proposés. Nous nous sommes également intéressés à l'asservissement en vitesse sans capteur mécanique de la machine, pour lequel nous avons proposé deux méthodes de synthèse d'observateurs. La première est basée sur la synthèse d'un observateur LPV robuste par approche polytopique. La seconde utilise un observateur à modes de glissement d'ordre deux à gains adaptatifs. La faisabilité expérimentale de ces deux observateurs a été démontrée. / The issue of sensorless control of permanent magnet synchronous machine (PMSM) has been well studied in the field of automation and electrical engineering. In the following work, we were interested in the peculiar problem of low-speed sensorless control of surface PMSM. The objective is to o er a new method for the position control of an industrial electro-mechanical actuator, considering an aeronautical context (a flap actuator). First, modeling and observability analyses of surface (non-salient) PMSM and interior (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 new models, that take into account vibrations caused by a signal injection. A theoretical 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 injection signal. Unlike sallient-based methods that are only valid for sailent machines, our approach 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 validated on a dedicated test bench. Many simulation and experimental tests were performed 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 first one is based on robust synthesis of an LPV observer using a polytopic approach. The second method is an adaptative-gain second-order sliding mode observer. Experimental feasibility of the two methods has been demonstrated.

L’objectif de cette thèse est de proposer des stratégies de diagnostic dans le cas d'une commande en vitesse sans capteur mécanique (vitesse/position) d’une machine asynchrone triphasée en présence de défaut d'ouverture des transistors IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) de l’onduleur. Une étude de l’impact de ces défauts sur les performances de ces structures sans capteur mécanique en termes de stabilité et de robustesse des observateurs en mode dégradé est présentée. Un observateur par mode glissant (Sliding Mode Observer) à base de modèle est développé et validé expérimentalement en vue de la commande sans capteur mécanique de la machine asynchrone triphasée. Les signaux issus de l’observateur (approche modèle) sont utilisés conjointement avec ceux mesurés (approche signale) pour former une approche hybride de diagnostic de défauts des transistors IGBT de l’onduleur. Un observateur par mode glissant d’ordre 2 à base d’un algorithme Super-Twisting est ensuite développé en vue d’améliorer la stabilité et d’assurer la continuité de fonctionnement du système en présence d'un défaut afin de pouvoir appliquer une stratégie de commande tolérante aux défauts dans les meilleures délais et conditions de fonctionnement. / The main goal of this thesis is to propose diagnostic strategies in the case of a sensorless speed control of a three-phase induction motor under an opened-switch or opened-phase fault. A qualitative analysis of the performances, in terms of stability and robustness, of sensorless control applied to the electrical drive in pre-fault and post-fault operation modes is presented. A model-based sliding mode observer is developed and experimentally validated for sensorless speed control of three-phase induction motor. The signals issued from the observer (model approach) as well as the measured ones (signal approach) are simultaneously used to form a hybrid approach for inverter open-switch fault detection and identification. A second-order sliding mode observer based on Super-Twisting algorithm (STA) is also developed to improve the stability and to ensure the continuity of operation of the electrical drive especially during transient states induced by the fault, permitting thus to apply the reconfiguration step without losing the control

Le travail présenté dans cette thèse a pour objectif d'apporter une contribution aux méthodes de commande et d'observation des machines asynchrones destinées à la traction électrique. Dans ce contexte, plusieurs algorithmes ont été développés et implémentés. Après une présentation rapide de la commande vectorielle classique, de nouvelles approches de commande non linéaire sont proposées : il s'agit plus précisément de la commande backstepping classique et sa variante avec action intégrale. Une deuxième partie est consacrée à l'observation et à l'estimation des paramètres et des états de la machine, basée sur des structures MRAS-modes glissants d'une part et sur des structures de filtrage synchrone d'autre part. Une analyse détaillée du problème de fonctionnement à basse vitesse nous a conduit à proposer une solution originale dans le cadre d'une commande sans capteur mécanique. Le problème de la dégradation du couple en survitesse a été traité par un algorithme de défluxage basé sur la conception d'un contrôleur de tension. Enfin, nous avons proposé un algorithme d'optimisation afin de minimiser les pertes dans l'ensemble Onduleur-Machine / The work presented in this thesis aims to contribute to the control and observation of the induction machines for electric traction. Several algorithms have been developed and implemented. After a fast presentation of the classical vector control, new approaches of non-linear control are proposed : the classical backstepping and integral backstepping. A second part deals with the observation and the estimation of parameters and states of the machine, based on MRAS-Sliding Mode structures on one hand and on synchronous filtering structures on the other hand. A detailed analysis of the operation at low speed led us to propose an original solution for a Sensorless control. The torque degradation in field weakening zone was treated by a voltage regulation controller. Finally, we proposed losses minimization algorithm for the Inverter-Machine set

Les avionneurs expriment le besoin de développement de l’avion plus « électrique ». Cela se traduit par des besoins nouveaux en matière de systèmes de motorisation électrique, en termes de puissance à fournir et de partage de ressources matérielles en vue de minimiser la masse embarquée et les coûts. Parmi les études en cours sur l’évolution des machines tournantes, un intérêt particulier porte sur le développement des alterno-démarreurs de type machines synchrones sans balais et à plusieurs étages (BSSG). Celles-ci sont susceptibles de fournir un fort couple lors des phases de démarrage des réacteurs auxquelles elles sont associées. Pour ce faire, la connaissance, à tout moment, de la position du rotor est essentielle. Cependant, l'ajout d’un capteur dédié impacte la conception de la machine, rajoutant du volume, du câblage et augmentant le coût. La réalisation d'une commande dite « sensorless » permettrait de s'affranchir de l'utilisation d'un tel capteur et de simplifier le design des alterno-démarreurs.A partir d'une modélisation fine de la machine, cette thèse étudie les conditions dans lesquelles une telle commande est réalisable et analyse plusieurs techniques permettant d'y parvenir. Une nouvelle méthode d'estimation de la position du rotor, spécifique aux BSSG est proposée, puis illustrée avec des résultats expérimentaux. Cette technique est basée sur le traitement des composantes harmoniques existantes naturellement au stator de la machine et permet l'estimation de la position à l'arrêt et à très basse vitesse. Afin d'étendre l'estimation sur toute la plage de vitesse, une étude d'estimation de position par un observateur d'état à base du modèle complet de la machine en considérant les harmonique injectés (ou existantes) dans les courants du stator est proposée. Cet observateur peut s’appliquer à la machine synchrone à trois étages mais aussi à toute machine synchrone. Dans cette étude, son fonctionnement est illustré sur une machine synchrone à aimants permanents. / The aircraft manufacturers express the need to develop a more "electric" aircraft. This brings forward new requirements for the electric drive systems in terms of increasing the available on-board power and resource sharing in order to optimize the overall mass and cost. Among the ongoing studies on the evolution of motor drives, a particular interest is given to the development of multi-level brushless synchronous starter/generators (BSSG). These drives are likely to provide the high torque required to start-up the reactors to which they are associated. For this purpose, the knowledge, at any time, of the rotor position is essential. However, adding a dedicated sensor impacts on the design of the machine, increasing volume, cabling needs and cost. For this purpose, investigating on “sensorless” control laws will permit to avoid using such a sensor and to simplify the design of the Starter/Generators.Using a fine modelling of the machine, this work studies the conditions of feasibility for sensorless control and analyzes several techniques for this purpose. A new method of estimation of the shaft-position, particular to the BSSG architecture is proposed and then illustrated with experimental results. This technique is based on the processing of the existing harmonic components naturally in the stator of the machine and allows the estimation of the position at standstill and the very low speed. To extend the estimation to the whole speed range, a study of position estimation using a state observer using the complete model of the machine considering the knowledge of the existing (or injected) harmonic components in the stator currents is proposed. This observer can be applied to the brushless synchronous starter/generator but also on generic synchronous machines. In this study, its performance is illustrated on a permanent magnet synchronous machine.

In More Electric Aircraft, different power system activities are attributed to electrical means such as the start-up of the main engine. In this context, the study of the sensorless control of the Brushless Synchronous Starter Generator (BSSG) that is used to electrically start the main engine is revealed to be a very interesting issue. For long time, the elimination of the mechanical sensor was highly recommended for reliability, cost, weight, integration issues.Hence, this work aims to transpose the results obtained in the research area to an avionic testbench. It presents an adaptive sensorless technique to use when electrically starting the main engine of the aircraft. This is achieved by elaborating three different methods selected depending on the speed of the machine and based on the :- injection of a high frequency signal- use of the back-emf of the Permanent Magnet Generator (PMG)- use of the extended Kalman Filter EKFIn this work, it is shown that the …first method gives good position estimation results from standstill up to 8% of the rated speed. Then, the back-emfs of the PMG are used to detect the position of the BSSG when the speed exceeds the 8% of the rated speed. Good results are observed with this method at medium and high speed.For redundancy reasons, the EKF was also used in this work. Thus, the estimated position can be delivered via two different estimation algorithms in medium and high speed region.The implementation of the algorithm was achieved on an FPGA board since the latter can ensure a very tiny execution time. The fastness of the treatment ensures quasi-instantaneous position estimation and does not practically introduce any phase lag in the position estimation. / Aujourd'hui, l'aviation est en train de vivre des évolutions technologiques concernant surtout l'attribution de différentes fonctionnalités aux équipements électriques et ceci au détriment d'équipements hydrauliques et mécaniques assurant les mêmes fonctionnalités.Dans le cadre de l'avion plus électrique, le démarrage électrique sans capteurs mécaniques de la turbine de l'avion préoccupe les avionneurs de nos jours. Les problèmes introduits par ce capteur ont été identifiés : problèmes de coût et de poids, problèmes de fiabilité et d'intégration.Ce travail présente alors une commande sans capteurs pour la machine synchrone à trois étages à utiliser durant le démarrage électrique de l'avion. Ceci est réalisé avec trois méthodes de détection de la position selon la vitesse de rotation, basées sur :- l'injection d'un signal à haute fréquence- l'utilisation d'un filtre de Kalman étendu FKE- les fém. du PMG (Permanent Magnet Generator) La première méthode donne de bons résultats d'estimation depuis l'arrêt jusqu'à 8% de la vitesse nominale de la machine. Au-delà de cette vitesse, es valeurs des fém. du PMG deviennent assez élevées pour être utilisées dans l'estimation de la position. De bons résultats sont obtenus à moyenne et haute vitesse.Pour des questions de redondance, le FKE est aussi utilisé. Ainsi, la position estimée peut être fournie par l'un des deux algorithmes à moyenne et haute vitesse.L'implémentation de ces algorithmes est réalisée via une carte FPGA étant donné que celui-ci garantit un temps d'exécution. La rapidité de traitement garantit une estimation de la position quasi-instantanée et donc n'introduit pratiquement pas des retards dans l'estimation.

Ce travail de recherche s'intéresse à la commande sans capteur mécanique du moteur synchrone à aimants permanents (MSAP) à pôles saillants, particulièrement en basse vitesse, avec détection de la position initiale du rotor. Après une présentation des techniques et approches qui ont initié nos travaux, en terme d'estimation de la vitesse et/ou de la position, nous avons choisi celles qui présentent plus d'intérêt de point de vue stabilité, robustesse, précision et simplicité d'implémentation. La première approche est basée sur le Système Adaptatif avec Modèle de Référence (MRAS). Quant à la deuxième, elle est réalisée autour d'un observateur non-linéaire pour l'estimation de la position et de la vitesse du MSAP à pôles saillants. Les deux techniques d'observation de la vitesse sont associées à une commande par orientation du flux rotorique avec la technique MLI vectorielle. Pour détecter la position initiale du rotor, nous avons utilisé une nouvelle approche qui permet d'estimer cette position avec une incertitude de ±5° mécanique. Cette nouvelle approche est basée sur l'application de signaux tests aux bornes des phases statoriques du MSAP. Des résultats de simulation et expérimentaux sont présentés tout au long de ces travaux pour valider les études théoriques de la commande vectorielle sans capteur mécanique du MSAP. Enfin, nous avons étudié et analysé les performances de la commande tolérante aux défauts sans capteur mécanique du MSAP en présence de défaillances de types transistors à l'état-off. / This research focuses on the sensorless vector control of a salient pole permanent magnet synchronous motor (PMSM), particularly at low speed, with detection of the initial rotor position. In first step, an overview of the state of the art concerning the estimation of the rotor speed as well as the initial rotor position of PMSM is addressed. From such a study, we have adopted an interesting strategy based on the model reference adaptive system (MRAS). The second step in this research consists in studying the performances and the feasibility of a non-linear observer for closed-loop vector control of salient pole PMSM. The MRAS technique as well as the non-linear observer is associated to a vector control scheme based on the field oriented strategy with space vector pulse width modulation (SVPWM). To detect the initial rotor position, we have proposed a new approach which estimates the position with a resolution of ±5° mechanical degrees. This new approach is based on applying short voltage pulses to the stator winding of salient pole PMSM. Several simulation and experimental results are presented to confirm the theoretical studies of the sensorless vector control of the salient pole PMSM drive. Finally, we have analyzed the performances of the sensorless speed fault tolerant control (FTC) of salient pole PMSM under failures related to the voltage source inverter (open circuit fault). The experimental results obtained based on the proposed techniques using nonlinear and MRAS observers have been improved in term of the reliability and allow a continuous operation of the salient pole PMSM drive even when it is supplied with two inverter legs.

Les travaux de recherche développés, dans ce rapport de thèse de Doctorat traitent la commande vectorielle indirecte par orientation du flux statorique d'une machine asynchrone avec ou sans capteur de vitesse. L'approche développée utilise la méthode adaptative avec modèle de référence. Le modèle de référence ainsi que le modèle ajustable, qui sont développés dans un repère lié au stator, sont utilisés pour l'estimation de la vitesse de rotation, de la résistance rotorique et enfin l'estimation mutuelle de la vitesse de rotation et de résistance rotorique d'une machine asynchrone à partir de la connaissance des courants et tensions statoriques. Pour annuler l'erreur statique lors de la régulation de la vitesse et améliorer par la suite les performances des résultats obtenus, le couple résistant, qui peut être considéré comme une perturbation, a été estimé en se basant sur les variables d'état du moteur à commander. Pour cela une procédure d'estimation du couple résistant de la même machine a été développée en se basant sur un observateur de type Luenberger. Les résultats de simulation numérique obtenus dans l'environnement Matlab- Simulink ainsi que les résultats expérimentaux, obtenus sur deux plates formes d'essais de machines asynchrones équipées chacune d'une carte de commande temps réel de type DS1104, valident bien les algorithmes développés. / The research developed in this PhD report deal with indirect stator field oriented control (ISFOC) of an induction motor drive (IM), with and without speed sensor. The developed approach uses the method with Model Reference Adaptive System (MRAS). The reference model and the adjustable one, which are developed in stationary stator reference frame, are used to estimate the rotor speed, the rotor resistance and the simultaneous estimation of speed and rotor resistance of the (IM) from the knowledge of the stator currents and voltages. To cancel the static error in the speed control and ameliorate subsequently the performance results, the load torque, which can be considered as a disturbance, has been estimated based on the state variables of the motor to be controlled. For this, a procedure was developed to estimate the torque of the same machine based on a Luenberger observer. The numerical simulations results obtained with Matlab-Simulink software package as well as the experimental results, obtained on two platforms for testing asynchronous machines each equipped with a real time controller board of dSPACE, validate the developed algorithms.