This master’s thesis investigates the possibility of replacing the traditional triple cascaded Proportional-Integral (PI) controller architecture, used to regulate a PermanentMagnet Synchronous Motor (PMSM), with a state-space approach. Using theory regarding PMSMs and Electromechanical Actuators (EMAs) as a foundation, the thesisdescribes the design process of the proposed control methods up until implementation. The two state-space approaches evaluated in the thesis are: a single Linear-QuadraticRegulator (LQR) method and a torque reference generating LQR together with a setof two PI controllers for current regulation. Evaluation of the chosen methods wasdone based on simulations in Simulink/Simscape, containing verified models mimicking real hardware, with several input cases. Based on simulation results, the combined LQR and PI method was deemed promisingto replace the current cascaded PI control architecture. The open end of the reportallows for further implementation and evaluation on the real platform to confirm theresults obtaiend through simulations.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet Compacité qui vise à développer un compresseur électrique pour véhicules électriques à l’aide d’une démarche mécatronique. Dans cette thématique, le rôle du LGEP est de développer la partie électromécanique du compresseur. Cette thèse est constituée de deux parties, la première concerne la conception d’un moteur pour le compresseur et la deuxième a trait à la commande sans capteur mécanique de ce moteur. La première partie de la thèse est d'abord consacrée au dimensionnement d'une machine électrique pour un compresseur électrique. Le cahier des charges impose une machine compacte (97mm de diamètre et une profondeur inférieure à 50mm) et ayant une puissance massique élevée (6kW pour une masse de 1.8kg). Au préalable, un modèle analytique a été développé pour effectuer un dimensionnement rapide. Par la suite, la méthode des éléments finis a été appliquée à différents modèles physiques (magnétique, thermique, mécanique (résistance des matériaux et vibration)) pour une étude approfondie de la structure choisie. A l'issue de ces études, un prototype et un banc expérimental ont été réalisés. Dans un second temps, des algorithmes de commande avec ou sans capteur mécanique ont été étudiés pour le pilotage du moteur. La particularité de cette deuxième partie de thèse est la réalisation d'une commande peu gourmande en temps de calcul et implantable dans des microcontrôleurs de faibles performances. A l'issue de cette partie, une nouvelle loi de commande appelée commande passive échantillonnée ainsi qu'un observateur adaptatif étendu (observateur fondé sur l'estimation des fem) ont été développés et testés sur un banc expérimental. / This thesis is part of the project Compacite which aims to develop an electric compressor for electrical vehicles using a mechatronic approach. In this way, the LGEP contribution is to develop the electromechanical part of the compressor.The document is divided in two parts: the first one is related to the design of the motor and the second part is dedicated to the sensorless control.In the first part, the electromagnetic design is proposed to comply with the industrial constraints according to the compressor operation. The specifications require a compact motor (external diameter equal to 97 mm and an active depth less than 50 mm) and a good power/mass ratio (6 kW for a weight of 1.8 kg). At first the design is based on an analytical model in order to obtain a fast sizing. Thereafter the finite element method is used for multiphysical studies (magnetic, thermal and mechanical (in terms of strength of materials and vibration)). A prototype is built and characterized on a test bench. In the second part, some algorithmic control laws have been developed with sensor and sensorless control. In this part a particular control law (sampled data passivity based control) with a low algorithmic cost has been developed for driven the motor and has been validated on the test bench. At the end an observer based on the estimation of the electromotive force is used for sensorless control and validated on the test bench.

Cette thèse présente le dimensionnement d’une machine électrique à rotor disque pour la traction de véhicules hybrides. Un état de l’art complet sur les machines électriques à rotor disque permet de montrer que la machine à flux axial à rotor central est la plus adaptée. Différentes géométries du circuit magnétique sont successivement étudiées et comparées par simulations par éléments finis. Pour maximiser le rendement de la machine, les pertes d’origine électromagnétique sont étudiées. Un modèle analytique des pertes par effet de peau dans les conducteurs de cuivre est proposé et validé par éléments finis. Un second modèle analytique estime les pertes par courant induits dans les aimants permanents pour tous les points de travail de la machine se basant sur uniquement trois simulations par éléments finis permettant ainsi un gain de temps important lors du dimensionnement. Deux méthodes de dimensionnement sont comparées : le dimensionnement manuel par essais/erreurs et l’optimisation multi-objectifs. Cette dernière méthode automatise le dimensionnement et permet une optimisation plus pointue et une forte amélioration des performances. Dans ce cas, la densité de couple a par exemple été augmentée de 29%. La machine à flux axial dimensionnée est comparée avec une machine à flux radial pour véhicules hybrides. Cette comparaison révèle le potentiel de la machine à flux axial avec notamment une densité de couple augmentée de plus de 20%. Enfin, deux prototypes ont été construits et mesurés pour valider les simulations. / This PhD presents the design of a disc rotor electric machine for the traction of hybrid vehicles. A complete state of the art enables the selection of the internal rotor axial flux machine which is the most suited to this application. Different geometries of the magnetic circuit are successively studied and compared with finite elements simulations. To maximize the efficiency of the machine losses generated in the magnetic circuit are studied. An analytic model on the skin effect in the copper conductors is proposed and validated with finite elements simulations. A second analytic model estimates the eddy current losses in the permanent magnets for every operating point of the machine based on only three finite element simulations enabling an important time-saving. Two dimensioning methods are compared: the manual dimensioning based on a tries/errors method and the multi-objectives optimization. This last method automates the dimensioning and enables a more refined optimization and a strong improvement of the performances. For example, the torque density has been improved by 29% in that case. The designed axial flux machine is compared to a state of the art radial flux machine for hybrid vehicle. This comparison shows the potential of the axial flux machine with an improvement of the torque density by more than 20%. Finally two prototypes have been built and measured to validate the simulations.

Dans un contexte automobile électrique et hybride, la part des machines synchrones à aimants permanents s'est accrue exponentiellement. Cette évolution s'accompagne d'exigences en termes d'émissions vibro-acoustiques. En termes de dimensionnement de la chaîne de traction, l'analyse multiphysique du moteur s'avère être un enjeu crucial pour son développement. La nécessité de disposer de codes informatiques de conception possédant des temps de calcul faibles pour une précision maximale se fait ressentir pour l'exploration de solutions potentiellement performantes dans les premières étapes du processus de dimensionnement. A ce titre, les aspects vibratoires et acoustiques sont modélisés analytiquement et par éléments finis dans la présente thèse. Ainsi, au moyen du modèle magnétique, l'analyse magnéto-vibro-acoustique faiblement couplée (résolution itérative des différentes physiques) peut être réalisée.La thèse est découpée en quatre parties. La première expose un état de l’art sur les émissions vibro-acoustiques des machines et notamment la modélisation du bruit d’origine magnétique. Les problématiques de la modélisation sont détaillées. Dans une deuxième partie, les modèles sont largement décrits. Les modèles éléments finis sont validés expérimentalement. Une troisième partie se propose de valider les modèles analytiques par éléments finis, en complexifiant progressivement la géométrie d’une machine à aimants montés en surface à flux radial. Enfin, la dernière partie utilise les modèles éléments finis pour étudier des machines non-conventionnelles comme les machines à commutation de flux et les machines à aimants en surface à flux axial. / The proportion of permanent magnets synchronous motors used for electric and hybrid automotive traction has exponentially increased during the past decade. This evolution comes with ever-demanding low noise and vibrations requirements. Multi-physics analysis of the motor is a decisive issue for the development of the powertrain. For the exploration of potentially efficient motor solutions in first design steps, it is thus a necessity to have at disposal fast and accurate computer codes. In this respect, acoustic and vibratory aspects are modeled using finite element and analytical models in this thesis. As a result, using an electromagnetic model, the weakly-coupled magneto-vibro-acoustic analysis (iterative solving of each physic) can be performed.The thesis is divided into four parts. The first part states the art on machine vibro-acoustic emissions and focuses on noise of magnetic origins modeling. Issues of modeling are detailed. Then, models are described to a great extent in the second part. Finite element models are favorably compared to experimental measures. A third part validates analytical models in comparison to finite element analysis, by gradually complicating the geometry of a surface permanent magnets radial flux machine. Finally, a fourth part uses finite element models to study non-conventional machines such as flux switching radial flux machines and surface permanent magnets axial flux machines.

Η παρούσα διπλωματική εργασία, η οποία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών, πραγματεύεται την κατασκευή ενός ηλεκτρικού δικύκλου. Σκοπός είναι η κατασκευή και ο έλεγχος ενός ηλεκτρικού ποδηλάτου και συγκεκριμένα ο σχεδιασμός και η εγκατάσταση ενός κατάλληλου ηλεκτροκινητήριου συστήματος σε ένα συμβατικό ποδήλατο. Αρχικά γίνεται μια σύντομη περιγραφή των συμβατικών και των ηλεκτρικών ποδηλάτων, η οποία περιλαμβάνει την ιστορική εξέλιξή τους, τα μέρη από τα οποία αποτελούνται, τους τύπους στους οποίους διακρίνονται και τα νομικά πλαίσια που διέπουν τη λειτουργία τους. Στη συνέχεια, περιγράφεται το ηλεκτροκινητήριο σύστημα, το οποίο εγκαταστάθηκε στο πλαίσιο του ποδηλάτου που παραχωρήθηκε για το σκοπό αυτό από την εταιρεία Ideal Bikes Μανιατόπουλος Α.Ε., τα κριτήρια επιλογής του κινητήρα, των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών και των επιμέρους στοιχείων που το απαρτίζουν. Ακολουθεί η ανάλυση των Brushless μηχανών, τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και η αρχή λειτουργίας τους. Το επόμενο βήμα είναι η θεωρητική μελέτη του τριφασικού αντιστροφέα τάσης που απαιτείται για την οδήγηση του κινητήρα. Παρατίθενται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση της λειτουργίας του ηλεκτροκινητήριου συστήματος μέσω του προγράμματος Matlab/Simulink. Κατόπιν, περιγράφεται η κατασκευή του τριφασικού αντιστροφέα τάσης, τα στοιχεία που τον απαρτίζουν και ο λόγος για τον οποίο επιλέχθηκαν. Δίνεται μια σύντομη περιγραφή του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε, των δυνατοτήτων που παρέχει αλλά και η λογική του ελέγχου που υλοποιεί. Τέλος, ακολουθούν οι πειραματικές μετρήσεις και τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη λειτουργία της κατασκευής. / The purpose of this thesis is the construction of an electric two-wheeled vehicle. The work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, in the Department of Electrical and Computer Engineering at University of Patras. The main aim is the study, the construction and the control of an electric bike. In order to achieve this, it is necessary to design and install a suitable electric motor system to a conventional bicycle. Initially, there is a brief overview of the conventional and the electric bicycles, along with their history, their main parts, the types in which they are divided and the legal frameworks that govern their operation. Secondly, the electric motor system, which was installed in the bicycle frame granted for this purpose by the company Ideal Bikes, Nikos Maniatopoulos S.A., the criteria for the selection of the motor and the batteries are described. In addition, there is a short description of Brushless motors, their types and the principle of their operation. Furthermore, the theoretical study of the three phase inverter required for driving the motor is given. Moreover, the results obtained from the simulation of the operation of the motor system through the Matlab / Simulink are provided. The construction of the three phase inverter, the constituent elements and the reason for their selection are also analyzed. Last but not least, there is a short description of the microcontroller which is used and its capabilities, in order to facilitate the study and design of the structure. Finally, the experimental measurements and the conclusions that derive from the construction and the operation of the electric bike are presented and future improvements concerning the construction are proposed.

The Martin Aircraft Company Limited has been developing the Martin Jetpack for over 25 years. The recent worldwide launch of the Jetpack has enabled the company to step up its research and development programme. The goal of this project was to determine the feasibility of an electrically powered version of the Martin Jetpack. The feasibility of the Electric Jetpack was determined by researching energy storage technologies, researching power cable technologies, simulations of flight times, surveys of electric motors, and the development of a simulation program which was used to optimise some preliminary custom motor designs. The overall conclusion of this project was that the Electric Jetpack was feasible only when it was powered through a tethered power cable, and on-board energy storage was not used. An investigation into current energy storage technologies showed that the Electric Jetpack is not considered feasible when using on-board energy storage, however it is possible to obtain flight for a very short time. The energy storage technologies studied were batteries, fuel cells, and ultra-capacitors. It was found that the best performing technology was the lithium iron nano-phosphate battery. A simulation of flight time showed that this battery type would be able to provide flight for approximately 3.6 minutes. Future trends indicated that the Electric Jetpack with on-board energy storage may eventually be feasible when using a lithium-ion based battery due to improvements being made in energy density and power density. By using a tethered power cable, the weight of the on-board energy storage could be eliminated. This was shown to be a feasible method for powering the Electric Jetpack for applications where the Jetpack needs to only be operated in a small area. The best cable type to use was a multi-stranded flexible cable operating at a high DC bus voltage. The weight of a 5 meter power cable using a 1000 V bus voltage was shown to be 4.9 kg. Potential applications for this kind of Jetpack could include thrill rides and rescue operations from multi-storied buildings. A cable made from carbon nanotubes was shown to be a future technology that could offer a lighter cable. A survey of currently available electric motors showed that none met both the power density and speed required by the Electric Jetpack, even when using a tethered power cable to eliminate the energy storage weight. Because of this, a custom motor design was needed. Research into motor technologies showed that the permanent magnet brushless DC (PMBLDC) motor was the most suited type for the Electric Jetpack. The permanent magnet brushless AC (PMBLAC) motor was also suitable. A PMBLDC motor simulation program was developed using MATLAB which could be used to optimise preliminary custom designs. A characterisation of allowable motor time constants for the PMBLDC motor type was made in order to speed up the simulation time. The optimisation results showed that a power density of 5.41 kW/kg was achievable for the motor when it was located inside the ducted fan tubes, and a power density of 6.56 kW/kg was achievable when the motor was located outside the ducted fans and operated at a higher speed. The motor designs were shown to be within the expected torque per unit rotor volume (TRV) range for aerospace machines. The best power density figures would leave between 37 kg and 42 kg of weight for the motor driver/controller, cable weight, and miscellaneous motor parts. This was considered to be feasible. An FEM simulation was made on one of the optimised motor designs. The FEM results agreed with the parametric results within reasonable accuracy. The parametric back-EMF waveform over-estimated the effects of slotting.

Ocean wave energy is a promising renewable source to contribute to supplying the world’s energy demand. The Division of Electricity at Uppsala University is developing a technology to capture energy from ocean waves with a wave energy converter (WEC) consisting of a linear permanent magnet generator and a point absorber. The linear generator is placed on sea bed and is driven directly by the floating absorber. Since March 2006, multiple wave energy converters have been deployed on the Swedish west coast outside the town of Lysekil. The technology is verified by long-term operation during at sea and satisfactory reliability of the electricity generation. This thesis focuses on developing advanced control strategies for fully coupled wave energy converters subject to constraints. A nonlinear control strategy is studied in detail for a single WEC subject to constraints under regular and irregular waves. Besides, two coordinated control strategies are developed to investigate the performance of a wave energy farm subject to constraints. The performance of the WECs using these control strategies are investigated in case studies, and optimal PTO damping coefficients are found to maximize the output power. The results show that these control strategies can significantly improve the performance of the WECs, in terms of mean power, compared to a conventional control. Besides these control strategies, a wave-to-wire simulation platform is built to study the power generation control of the WEC subject to constraints.  The wave-to-wire simulation platform allows both nonlinear and linear control force. The results show that there is a good agreement between the desired value and the actual value after advanced control.

Afin de rendre les machines synchrones à aimants permanents plus attractives pour l'aéronautique (actionneurs de commande de vol, systèmes de freinage, train d'atterrissage ...), il peut être intéressant de réduire le nombre de modules d'électronique de puissance utilisés en les mutualisant. De nombreuses études ont été réalisées pour des systèmes composés de plusieurs machines asynchrones et principalement en traction ferroviaire, mais peu concernent les machines synchrones. Après avoir étudié différentes structures envisageables, les travaux développés lors de cette thèse présentent une étude originale d'un système composé de deux machines synchrones à aimants permanents connectées en parallèle sur un onduleur unique mutualisé. Ces machines ont des caractéristiques identiques ou proches et doivent être pilotées à la même vitesse. La structure de commande retenue lors de cette thèse est de type maître-esclave: seule une des deux machines est autopilotée (la machine maître), l'autre (la machine esclave) fonctionnant en boucle ouverte. Afin d'assurer la stabilité d'un tel système, le synchronisme des deux moteurs doit toujours être respecté. Une stratégie de commande, qui choisit quel est le moteur maître, en prenant en compte la variation des paramètres internes et externes du système, est alors instaurée. Dans ces conditions, les évolutions théoriques des différentes variables sont déterminées. Pour valider ces résultats, un processus expérimental est mis en place. Les nombreux résultats obtenus en simulation et expérimentalement permettent alors de confirmer les résultats théoriques: que ce soient les paramètres mécaniques ou électriques qui varient, la stabilité du système est toujours garantie. Le cas supplémentaire où les deux machines déplacent une charge mécanique commune avec une liaison mécanique rigide entre les deux machines, est finalement développé. Une autre stratégie de commande, dont la structure et les résultats sont également présentés dans cette thèse, est alors nécessaire. / To make permanent magnet synchronous machines more attractive for aerospace (flight control actuators, braking systems, landing gear ...), it may be advantageous to reduce the number of power electronic modules used in the pooling. Many studies have been performed for systems composed of several machines and asynchronous traction primarily, but little concern synchronous machines. After considering various possible structures, this Ph.D. thesis presents an original study of a system consisting of two permanent magnet synchronous machines connected in parallel on a single shared inverter. These machines have characteristics identical or similar and must be driven at the same speed. The control structure chosen in this Ph.D. thesis is a master-slave : only one machine, called master machine is self-piloted, the other (the slave machine) operating in open loop. To ensure the stability of such a system, the timing of the two engines should always be respected. A control strategy, which selects which is the master motor, taking into account the variation of internal and external parameters of the system is then introduced. Under these conditions, the theoretical developments of the different variables are determined. To validate these results, an experimental process is established. The numerous results obtained in simulation and experiments are then used to confirm the theoretical results : whatever the mechanical or electrical parameters variation, system stability is always guaranteed. The additional case, when both machines move a mechanical load with a common rigid mechanical connection between two machines, is finally developed. Another required control strategy, the structure and the results are also presented in this Ph.D. thesis.

Une nouvelle chaîne de traction dédiée à un véhicule hybride électrique de poids lourds a été développée dans ces travaux de recherche. A ce stade, la conception et l'optimisation des composants électriques de la chaîne de traction ont été étudiées, notamment les machines synchrones à aimants permanents et les onduleurs de tension associés, ainsi que le train Ravigneaux. En ce qui concerne la conception, un modèle analytique a été créé et qui permet de répondre au cahier des charges simultanément. Les différentes contraintes multiphysiques ont été prises en compte dans le modèle analytique. Ensuite, un modèle numérique via la méthode élément fini a été mise en œuvre. Le modèle numérique nous a permis de valider les performances de la machine électrique. En ce qui concerne l'optimisation, une stratégie de l'optimisation globale a été étudiée. Un exemple d'optimisation a été basé sur un système composé par deux machines électriques et deux onduleurs associés, ainsi que le train Ravigneaux. La comparaison basée sur cet exemple pour l'optimisation locale et globale nous a permis de valider l'avantage de la stratégie de l'optimisation globale. L'expérimentation a été réalisée sur un banc d'essais qui est constitué par la machine prototype et la machine de charge, les deux machines électriques ont été alimentées et pilotées par deux variateurs de fréquence. Les résultats expérimentaux nous ont permis de valider les modèles théoriques. / A new powertrain for a hybrid electric vehicle of heavy duty was developed in this research work. In this case, the design and the optimization of electrical components of powertrain have been investigated involving the permanent magnet synchronous machines, the associated inverters and the Ravigneaux train. Regarding the design, an analytical model was created and that permits simultaneously answering to specification. The various multiphysic constraints have been taken into account in analytical model. And then the numerical model was carried out via finite element method has been implemented. The numerical model allowed us to valid electrical machine performances. Regarding the optimization, a global optimization strategy was investigated. An optimization example was based on a system which was composed of two electrical machines, two associated inverters and the Ravigneaux train; The comparison based on this example between the local optimization and the global optimization, which allowed us to valid the advantage of global optimization strategy. The experimentation has been performed with a test bench involving the prototype machine and the load machine, the two electrical machines were fed and controlled by two frequency drives. The experimental results permit to valid the theoretical models.

L’objectif de la thèse est de développer un dispositif de micro positionnement intégrant à la fois les actionneurs et les capteurs. Un dispositif a été conçu afin de réaliser des déplacements dans les plans sur une course millimétrique. Le dispositif compact ne nécessite pas de système de guidage additionnel et selon le mode d’utilisation de ces moteurs, il est capable de réaliser des translations dans le plan ou des rotations autour d’un axe perpendiculaire au plan. Le dispositif comprend quatre moteurs électromagnétiques linéaires fixés orthogonalement sur une structure en forme de croix. Chaque moteur consiste en une paire de bobines planes entrelacées fixe et une barre ’aimants mobile. Un capteur de déplacement intégré dans la structure en croix permettant de mesurer le déplacement de celle-ci a été conçu et fabriqué. Ce capteur est constitué d’une tête de mesure à fibres optiques placé face à un réseau en silicium réalisé par des techniques de microfabrication. Afin de minimiser les erreurs d’assemblage, la structure en croix a également été micro fabriquée. Le dispositif est capable de réaliser un déplacement de 10 mm et une rotation de ±11° autour de l’axe perpendiculaire au plan du dispositif. La résolution de déplacement du dispositif est de 1,4 µm avec une précision de 31 nm en boucle fermée. Le dispositif peut également atteindre une vitesse de déplacement de 12 mm/s. / The objective of thesis is to develop an integrated micro positioning system for micro applications. A unique micro positioning system design capable to deliver millimeter level strokes with pre-embedded auto guidance feature in micro application has been realized. The design integrates, a stack of orthogonally arranged four electromagnetic linear motors. Each linear motor consists of a fixed planar electric drive coil and mobile permanent magnet array. The optimal design of the system delivers a small footprint size. In addition, to measure and control the displacement, a high resolution compact optical displacement measurement sensor has been designed and fabricated in silicon material using microfabrication technology. Furthermore, a light weight silicon cross structure was fabricated using dry etching technology to reduce components assembly errors. The device is capable to deliver 10 mm displacement stroke with a rotation of ±11° about an axis perpendicular to the plane of the device. The displacement resolution of the device is 1.4 µm with a precision of 31 nm in closed loop control. The device can realize displacement with a speed of 12 mm/s.