Le travail effectué au cours de cette thèse consiste à étudier et développer des techniques innovantes de modulation de largeurs d'impulsions (MLI) qui visent à optimiser les chaînes de traction électriques embarquées dans des véhicules hybrides ou électriques. La MLI joue un rôle stratégique au coeur des variateurs de vitesse, elle influe sur le comportement général de la chaîne de traction et sur sa performance. La MLI présente des degrés de liberté qui peuvent contribuer avantageusement à redimensionner les composants du variateur tels que le circuit de refroidissement, le filtre EMI et le condensateur du bus continu. Les véhicules hybrides constituent une étape naturelle dans la transition énergétique entre les véhicules thermiques et les véhicules électriques. Notre étude contribue à l'optimisation des variateurs de vitesse en général et ceux au coeur des véhicules hybrides ou électriques en particulier. Notre apport consiste à proposer une MLI performante afin de rendre le variateur plus léger et plus compacte tout en garantissant les fonctionnalités traditionnelles. La compétitivité de ces variateurs et par conséquent des véhicules hybrides ou électriques devient alors accessible. Les véhicules hybrides ou électriques utilisent généralement une machine de traction à courant alternatif en raison de nombreux avantages que celle ci présente par rapport à une machine à courant continu. La source d’alimentation au bord d'un véhicule est une batterie, il est donc nécessaire d'utiliser un onduleur pour transformer la tension continue en tension alternative à amplitude et fréquence variables. Le contrôle de cet onduleur est réalisé par des techniques de modulation de largeurs d'impulsions (MLI) ce qui permet ainsi de réguler le couple de la machine. Les techniques MLI produisent une composante basse fréquence, le fondamental qui est le signal désiré et des composantes hautes fréquences appelées harmoniques de commutation qui sont indésirables. Dans les véhicules modernes, il y a de plus en plus de charges mécaniques pilotées par des machines électriques et des systèmes électroniques. Il est impératif d'éliminer le risque d'interférences électromagnétiques entre ces différents systèmes pour éviter le dysfonctionnement ou la défaillance. Il faut donc filtrer ces harmoniques indésirables pour qu'elles ne perturbent pas les calculateurs et autres circuits électroniques de faibles niveaux de tensions. Il existe des techniques de modulation aléatoire (RPWM) qui permettent d'étaler les harmoniques à la fréquence de commutation et ses multiples. Dans cette étude, notre choix s’est porté sur la technique de modulation vectorielle aléatoire (RSVM) qui présente plusieurs avantages par rapport à la MLI intersective. Les machines pilotées par une MLI produisent des tensions de mode commun dites « shaft voltage », qui peuvent provoquer des courants à travers les roulements de la machine, ces derniers pouvant être destructifs. Nous avons pu développer une technique MLI vectorielle basée sur un choix judicieux des vecteurs nuls pour réduire cette tension de mode commun. La chaleur produite par les pertes dans les convertisseurs à commutation dure lors de l'ouverture et de la fermeture des interrupteurs doit être évacuée rapidement, ce qui réduit le stress thermique, évite la défaillance et augmente la durée de vie des interrupteurs. Une technique utilisée pour réduire ces pertes par commutation est la modulation discontinue (DPWM) ; une amélioration est apportée à cette technique dans ce travail. Cette amélioration est présentée sous forme d'une technique discontinue évolutive (EDSVM) qui s'adapte au régime du moteur pour minimiser les pertes. Grâce à cette technique une meilleure distribution du stress thermique sur les différents bras de l'onduleur est rendue possible et permet ainsi d'augmenter la durée de vie de l'onduleur. (...) / The dissertation documents research work carried out on Pulse Width Modulation (PWM) strategies for hard switched Voltage Source Inverters (VSI) for variable speed electric drives. This research is aimed at Hybrid Electric Vehicles (HEV). PWM is at the heart of all variable speed electric drives; they have a huge influence on the overall performance of the system and may also help eventually give us an extra degree of freedom in the possibility to rethink the inverter design including the re-dimensioning of the inverter components.HEVs tend to cost more than conventional internal combustion engine (ICE) vehicles as they have to incorporate two traction systems, which is the major discouraging factor for consumers and in turn for manufacturers. The two traction system increases the maintenance cost of the car as well. In addition the electric drives not only cost extra money but space too, which is already scarce with an ICE under the hood. An all-electric car is not yet a viable idea as the batteries have very low energy density compared with petrol or diesel and take considerable time to charge. One solution could be to use bigger battery packs but these add substantially to the price and weight of the vehicle and are not economically viable. To avoid raising the cost of such vehicles to unreasonably high amounts, autonomy has to be compromised. However hybrid vehicles are an important step forward in the transition toward all-electric cars while research on better batteries evolves. The objective of this research is to make electric drives suitable for HEVs i.e. lighter, more compact and more efficient -- requiring less maintenance and eventually at lower cost so that the advantages, such as low emissions and better fuel efficiency, would out-weigh a little extra cost for these cars. The electrical energy source in a vehicle is a battery, a DC Voltage source, and the traction motor is generally an AC motor owing to the various advantages it offers over a DC motor. Hence the need for a VSI, which is used to transform the DC voltage into AC voltage of desired amplitude and frequency. Pulse width modulation techniques are used to control VSI to ensure that the required/calculated voltage is fed to the machine, to produce the desired torque/speed. PWM techniques are essentially open loop systems where no feedback is used and the instantaneous values differ from the required voltage, however the same average values are obtained. Pulse width modulated techniques produce a low frequency signal (desired average value of the switched voltage) also called the fundamental component, along with unwanted high frequency harmonics linked to the carrier signal frequency or the PWM period. In modern cars we see more and more mechanical loads driven by electricity through digital processors. It is very important to eliminate the risk of electromagnetic interference between these systems to avoid failure or malfunction. Hence these unwanted harmonics have to be filtered so that they do not affect the electronic control unit or other susceptible components placed in the vicinity. Randomised modulation techniques (RPWM) are used to dither these harmonics at the switching frequency and its multiple. In this thesis a random modulator based on space vector modulation is presented which has additional advantages of SVM. Another EMI problem linked to PWM techniques is that they produce common mode voltages in the load. For electric machines, common mode voltage produces shaft voltage which in turn provokes dielectric stress on the motor bearings, its lubricant and hence the possibility of generating bearing currents in the machine that can be fatal for the machine. To reduce the common mode voltage a space vector modulation strategy is developed based on intelligent placement of zero vectors. (...)

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.

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. Les résultats expérimentaux obtenus avec les deux approches d'estimation de la vitesse en utilisant l'observateur MRAS et un observateur non linéaire ont permis d'améliorer la fiabilité du système de manière à rendre possible la commande vectorielle sans capteur mécanique en mode dégradé (alimentation avec deux bras de l'onduleur). En effet, les résultats de la commande sans capteur mécanique de la MSAP en mode dégradé montrent que l'observateur non linéaire est le mieux adapté pour ce type de fonctionnement car il présente de faible ondulation du couple et de vitesse. A l'aide d'un banc d'essais que nous avons développé au laboratoire LSIS-pôle Ecole Centrale de Marseille (ECM), nous avons pu valider expérimentalement les différentes approches proposées dans ce travail de recherche. Les résultats obtenus montrent l'efficacité des techniques mises en œuvre pour la commande vectorielle sans capteur mécanique du MSAP à pôle saillant en termes de robustesse, stabilité, précision et rapidité.