Ces travaux concernent la recherche des formes optimales de courant d'alimentation qui minimise la « puissance apparente silicium » du convertisseur statique des machines à réluctance variable. Des facteurs de dimensionnement des convertisseurs ont été définis par analogie avec le facteur de puissance des moteurs à courant alternatif alimentés en régime sinusoïdal. Une étude théorique prenant en compte les spécificités (saturation magnétique et formes d'onde de perméance non sinusoïdales) ainsi que la diversité de caractéristiques de ces machines a conduit à élaborer des modèles et à découvrir que, pour tirer le meilleur parti de l'onduleur, il fallait alimenter chaque phase par des créneaux de tension (pleine onde) et des courants unidirectionnels. Des limites théoriques des facteurs de dimensionnement des convertisseurs ont été mises en évidence. Il est apparu que, contrairement à une idée très répandue, les facteurs de dimensionnement des machines à réluctance variable pouvaient atteindre des valeurs équivalentes voire plus faibles que celles des moteurs classiques synchrones et asynchrones. Mais pour cela, il est nécessaire que la machine présente certaines caractéristiques électromagnétiques favorables. La plus importante d'entre elles, comme on pouvait le prévoir, était l'amplitude de la variation d'inductance ou encore le rapport des valeurs maximale à minimale de cette même inductance. Mais la saturation magnétique joue également un rôle favorable. Des régimes d'alimentation excités (notamment en conduction continue) ont montré également des améliorations très intéressantes. Enfin, une réalisation expérimentale sur un moteur de quelques centaines de watts, a permis de valider les modèles et les résultats. Un régime excité (polarisation en courant continu du circuit magnétique) s'est également révélé particulièrement intéressant en termes de minimisation de la puissance silicium apparente.

Ce travail de recherche est réalisé dans le cadre d'une collaboration internationale entre l'Université Technique de Cluj-Napoca en Roumanie et l'Ecole Centrale de Lille en France. Cette thèse a comme premier objectif, de réduire l’ondulation de couple d’une machine triphasée 6/8 à réluctance variable grâce aux paramètres de contrôle dans le mode de fonctionnement moteur et générateur. Par conséquent, un modèle analytique a été développé et mis en œuvre dans un environnement de calcul numérique. Un outil d'optimisation permettant de trouver les meilleurs paramètres de contrôle a été utilisé. Toutefois, le processus d’optimisation est très lent.En conséquence, une stratégie pour réduire le temps du processus d'optimisation sans abaisser la précision des résultats est proposée. Une stratégie de ‘mapping’ est utilisée entre un modèle grossier mais rapide et un modèle fin mais lent. Un travail est mené sur le choix du modèle grossier, dans le cadre d’un modèle fournissant des valeurs en fonction du temps. Deux stratégies de ‘mapping’ ont été utilisées dans cette thèse : l’‘Output Space Mapping Proportional’(OSMP) et le Manifold Mapping (MM). Ces deux stratégies sont utilisées pour déterminer les paramètres de contrôle optimaux. Le problème d’optimisation est ensuite complété en ajoutant des variables géométriques au processus d’optimisation du contrôle. Les outils développés sont ensuite utilisés dans le cadre du dimensionnement par optimisation d’un alterno-démarreur automobile. Finalement, des expériences et des essais sur un prototype de Machine à RV sont menés afin de valider les résultats du processus d'optimisation en mode moteur et générateur. / The switched reluctance machine has a simple construction making it cheaper in execution but one of the drawbacks of this machine is the torque ripple. This thesis had as first target, the usage of an optimization tool to calculate the best control parameters to correct this major drawback in motor and generator operation modes. Hence, an analytical model that takes into account the machine geometry and that is able to be simulated in both operation modes by adjusting the commutation angles was provided and implemented in a calculation environment. The second target of this work is to investigate a method to reduce the optimization time without lowering the accuracy of the results. The strategy used in the optimization process is known in literature as the space mapping technique, more precisely for this thesis output space mapping proportional and manifold mapping were studied. After testing them on a mathematical model it was possible to continue the investigation on defining the optimal control parameters of a three-phases 6/8 SR machine prototype, being able that further to use this strategy in a much complicated process, i.e. defining the right geometry and control of a SR machine to be used in automotive integrated starter alternator systems. The final target of the thesis was to conduct experiments and tests on the existing prototype in order to partially validate the results of the optimization process.

Le moteur à réluctance variable (MRV) est en train de gagner beaucoup d'intérêt dans les applications de traction électrique grâce à la compatibilité significative entre ses caractéristiques naturelles et les exigences de l'industrie automobile. Cependant, à cause de la caractéristique fortement non linéaire des grandeurs électromagnétiques du MRV, l'usure du moteur, les variations paramétriques dues aux tolérances de fabrication, et la dérive des paramètres durant le fonctionnement, les stratégies de commande classique ne permettent pas d'assurer des hautes performances de suivi de trajectoire et de robustesse en stabilité dans l'environnement de fonctionnement d'un véhicule électrique. Dans ce contexte, le premier objectif de cette thèse est de proposer des stratégies de commande robustes du MRV en prenant en considération les contraintes imposées par les applications de traction. Afin d'atteindre cet objectif, une structure de commande en cascade, composée d'une boucle externe de vitesse et d'une boucle interne de courant, est envisagée. Les objectifs de synthèse sont ensuite fixés à travers un cahier des charges formulé en termes de gabarits fréquentiels, et les correcteurs robustes et adaptatifs de vitesse et de courant sont ainsi synthétisés en se basant sur les approches de commande H-infini et LPV/H- infini. La faisabilité des correcteurs constitue également un critère important dans les applications de traction électrique où la puissance de calcul embarqué dans le véhicule est très limitée. Ce critère est pris en considération dans cette thèse à travers l'utilisation des approches de synthèse des correcteurs H- infini d'ordre fixe. Les performances de ces correcteurs sont analysées et comparées avec les performances des correcteurs H- infini classiques à travers une étude par la μ-analyse de la robustesse en stabilité et une évaluation expérimentale. Le deuxième objectif de ces travaux de thèse est d'évaluer l'intérêt de la commande sans capteurs mécanique du MRV en se basant sur des méthodes d'estimation. Des observateurs robustes basés sur les modes glissants et le filtrage de Kalman sont ainsi synthétisés. Les performances et la robustesse de ces observateurs sont ensuite comparées expérimentalement dans une perspective d'une application de traction électrique. / The switched reluctance motor (SRM) is gaining much interest in electric vehicle applications. It includes robustness to harsh operational conditions, rugged structure, fault tolerant operation and a wide range of speed. However, due to the highly nonlinear electromagnetic characteristic, wear and tear of motor, manufacturing tolerances and parameters drift during operation, classical control strategies do not ensure high dynamical performance and robustness under various operating conditions in electric vehicle environment. In this context, the first purpose of this thesis is to propose robust control strategies of the SRM taking into account the constraints imposed by electric vehicle applications. To achieve this objective, a cascade control scheme is adopted; it consists of an outer speed loop and an inner current loop. Controllers design aims are fixed through specifications formulated in frequency domain, robust and adaptive controllers of speed and currents are thus synthesized based on H- infini and LPV/H- infini control approaches. Feasibility of these controllers is also an important criterion in electric vehicles applications where embedded computing power is very limited. This criterion is taken into account in this thesis by using fixed order controller synthesis approaches. The performances of these controllers are analyzed and compared with the performances of standard H- infini controllers through an experimental evaluation and a robustness analysis is performed using the concept of the Singular Structured Value, i.e. the μ-analysis. The second objective of this thesis is to assess the interest of the sensorless control of SRM. Robust observers based on second order sliding mode (SMO2) and Kalman filtering techniques (EKF) are designed to estimate the mechanical states of SRM. Performances and robustness of these observers are then compared experimentally in perspective of electric vehicle application.

La commande intermittente a pour but principal d'augmenter le rendement de l'ensemble machine-convertisseur par une réduction des pertes. Dans le but de maintenir le couple moyen de la machine requis par la charge, cette commande augmente le couple de référence et éteint quelques phases pendant chaque période électrique ou chaque période mécanique. Par ce fait, elle réduit les pertes du convertisseur et les pertes ferromagnétiques de la machine. Elle dispose également d'une liberté de sélection des phases activées qui influence des fréquences générées du courant, de la force radiale et du couple. Par conséquent, cette stratégie de la commande intermittente, qui est appelée le glissement, peut éviter l'excitation de fréquences naturelles du stator, ou bien celles de la chaine cinématique. Elle a pour but de réduire les effets négatifs de la commande intermittente vis-à-vis de comportements vibratoire du stator et pulsatoire de la chaine cinématique qui sont respectivement à l'origine du bruit acoustique et des à-coups mécaniques. En fin, la commande intermittente est validée sur des cycles de conduite et peut économiser jusqu’à 5,17 % de l’énergie électrique consommée. / The intermittent control aims to increase the efficiency of the machine-converter system by reducing the losses. In the purpose to maintain the average torque of the machine required by the load, this control increases the reference torque and turns off some phases during each electrical period or each mechanical period. By this fact, it reduces the converter losses and the ferromagnetic losses of the machine. It also has a freedom in the selection of the activated phases which influences the generated frequencies of the current, the radial force and the torque. Therefore, this strategy of the intermittent control, which is called sliding strategy, can avoid the excitation of the natural frequencies of the stator, or those of the drivetrain. It aims to reduce the negative effects of the intermittent control vis-à-vis the vibration of the stator and the pulsation of the drivetrain which are respectively at the origins of acoustic noise and mechanical jerks. Finally, the intermittent control is validated on driving cycles and can save up to 5.17 % of the consumed electrical energy.

De nos jours, les véhicules électriques et hybrides ont suscité un très grand intérêt en raison de préoccupations environnementales et énergétiques. Dans ces véhicules, les machines électriques utilisées sont des machines conventionnelles asynchrones et synchrones à aimants permanents. La machine à réluctance variable est une technologie candidate potentielle pour les chaînes de traction électriques et hybrides. Cette machine conçue sans aimants et redondante peut réunir la robustesse et le faible coût de la machine asynchrone aux bonnes performances de la machine synchrone à aimants permanents. Dans ce contexte, le premier objectif de cette thèse est de proposer des stratégies de commandes robustes de la machine à réluctance variable par la prise en compte des contraintes des chaînes de traction électriques en vue de réaliser une étude comparative des performances. Dans cette étude, les commandes proposées sont les commandes classiques de type PI, les commandes par mode glissant et les commandes par mode glissant d'ordre supérieur. Le deuxième objectif consiste à développer des observateurs d'état pour la commande sans capteur de position mécanique de la machine à réluctance variable. Des observateurs robustes basés sur la théorie du filtre de Kalman étendu et les modes glissants sont synthétisés pour atteindre cet objectif. Enfin, le troisième objectif est de faire une analyse des défauts électriques de type circuit ouvert de l'étage électronique de puissance par l'approche signal afin de développer une méthodologie de détection et de localisation automatique de ces défauts. / Nowadays, electric and hybrid vehicles are gaining increased attention due to environmental and energy concerns. In these vehicles, the electrical machines used are the conventional machines, namely induction and permanent magnet synchronous machines. The switched reluctance machine is a potential candidate technology for electric and hybrid drivetrains. This machine designed without magnets and redundant windings, can combine the robustness and low cost of induction machines to the good performance of permanent magnet synchronous machines. In this context, the first objective of this thesis is to propose robust control strategies of the switched reluctance machine, taking into account the constraints of electric vehicles in order to make a comparative performance study. In this study, PI control, sliding mode control and higher order sliding mode control are proposed. The second objective is to develop state observers for sensorless control. Robust observers based on extended Kalman filter theory and sliding modes are synthesized to achieve this goal. Finally, the third objective is to make an analysis of electrical open-circuit faults of the electronic power stage using the signal approach in order to develop a methodology of automatic fault isolation.

Aujourd'hui, l'électrification des véhicules constitue une des solutions mises en œuvre par les constructeurs automobiles dans la lutte contre les émissions de gaz polluants et pour la réduction des consommations. Comme le prix des aimants terres rares a fortement augmenté ces dernières années, les moteurs électriques sans aimants permanents sont attractifs, comme les moteurs asynchrones, synchrones à rotor bobiné, à réluctance variable (double saillance ou synchrone). Dans cette thèse, les machines asynchrones et synchrones à réluctance variable sont étudiées et comparées pour des véhicules électriques. Ces deux machines ont un coût faible et possèdent des structures de puissance et de contrôles similaires.Des modèles analytiques non linéaires de machines asynchrones et synchrones à réluctance variable sont établis et validés. En outre, leurs modèles économiques et mécaniques sont également mis en œuvre. Sur la base des modèles analytiques établis, la géométrie et les paramètres de commande des machines étudiées sont dimensionnés afin de réduire les pertes énergétiques durant des cycles de conduite. Une optimisation bi-objective est proposée afin de minimiser en même temps les pertes énergétiques et le coût du moteur. Enfin, les machines optimisées sont comparées, à l’aide de Fronts de Pareto, pour évaluer leurs performances électriques, énergétiques et économiques. / Today, the concerns of the energy crisis and the reduction of gas emissions stimulate the research in several electric vehicle domains. As the cost of rare earth magnetic materials has increased significantly in recent years, electrical motors without permanent magnets draw more attention, such as induction motors, wound-synchronous motors, switched reluctance motors, and synchronous reluctant motors. In this thesis, induction and synchronous reluctant machines are chosen to be studied for the electric vehicle traction application since they are low costly and fed up with similar power electronics and control strategies.Nonlinear analytical models of induction and synchronous reluctant machines are established and validated. Besides, economical and mechanical models are developed as well. Based on established analytical models, the geometry and the control parameters of these studied machines are calculated to define the total energy losses during the driving cycle. A bi-objective optimization is carried out to minimize total energy losses and motor costs. At last, the optimized machines are compared from their electric, energetic and economic performances, with the help of the Pareto Fronts obtained.

L'objectif principal de nos travaux consiste à développer des méthodes d’optimisation des performances de la MSRV sur le plan de la conception et de la commande. La première partie est consacrée à la commande de la MSRV avec prise en compte de la saturation, de l'effet croisé et des pertes-fer. Deux stratégies de commande permettant d’améliorer les performances de la machine en régime permanent sont présentées: commande à rendement optimal et commande à couple maximum par ampère. La deuxième partie de ce travail porte sur la commande de la MSRV en vue de réduire les ondulations de couple. L’optimisation des courants statoriques a été obtenue selon deux critères : un couple électromagnétique constant et des pertes par effet Joule minimales. Une formule originale a été présentée dans le cas où le courant homopolaire est pris en compte. Des schémas de commande neuronale en couple et en vitesse sont ensuite proposés. L’apprentissage, réalisé en ligne, fait que cette proposition est tout à fait adaptée aux applications en temps réel. La troisième partie traite de la conception au moyen de la méthode de calcul numérique par élément finis. Grâce au logiciel JMAG, les barrières du flux au rotor de la MSRV ont été optimisées permettant d’augmenter le couple moyen, le facteur de puissance et le rendement de la machine. Enfin, toutes les approches neuromimétiques ont été validées par de tests expérimentaux. De plus, des comparaisons avec les méthodes de commande classique démontrent la validité des méthodes proposées. / The main objective of our work is to develop the methods for performance optimization of the SynRM in terms of the design and control. The first part is devoted to control of the SynRM taking into account the saturation, cross coupling and iron losses. Two strategies control to improve the performances of the machine in steady-state are presented: optimal efficiency control and maximum torque per ampere control. The second part of this work focuses on the control of the non-sinusoidal SynRM to reduce torque ripple. Optimal stator currents were obtained with the objectives: a constant electromagnetic torque and minimum ohmic losses. An original formula was presented in the case where the homopolar current is considered. The torque and speed control based on artificial neural networks are then proposed to obtain optimal currents online in real time. The third part deals with the design optimization of SynRM by finite element method. With JMAG software, the barriers of the rotor SynRM were optimized to maximize the average torque, power factor and efficiency of the machine. Finally, all the approaches based on neural networks have been validated by experimental tests. Moreover, the comparisons with conventional methods demonstrate the validity of the proposed methods.

Ce travail présente une méthodologie de conception optimisée développée pour les actionneurs pas à pas linéaires tubulaires à réluctance variable, ainsi qu'une stratégie de commande assurant un positionnement précis en pas entier et en micro-pas. La démarche de conception optimisée permet de dimensionner des structures répondant à des cahiers de charges diversifiés et de trouver des solutions optimales et robustes pour des problèmes de positionnement linéaire. La robustesse de ces structures est étudiée par rapport aux incertitudes de modélisation et aux dispersions de fabrication. Ces études sont conduites en s'appuyant sur la méthode des plans d'expériences. La stratégie de commande développée assure un couplage entre les équations mécaniques et magnétiques grâce à l'utilisation de surfaces de réponses donnant la force électromagnétique développée par l'actionneur en fonction de la position du mobile et des courants d'alimentation des phases. La force est calculée à partir d'un modèle éléments finis axisymétrique. Une comparaison est faite sur un prototype construit dans ce but.

Le mémoire traite de la machine à réluctance variable en proposant d'une manière simultanée et du point de vue conception des solutions à ses deux inconvénients majeurs à savoir les ondulations de couple et les efforts radiaux. Les premières se propagent le long de la chaine de transmission diminuant ainsi le confort des usagers et les deuxièmes sont à l’origine d’une nuisance sonore. Dans une première partie et en s’intéressant à une structure axiale caractérisée par une faible force radiale, un bilan sur cette structure est donc établi. En effet, une configuration à deux stators et un rotor est la plus adéquate pour éventuellement remplacer la machine radiale de référence. Cette structure axiale est comparée à cette machine de référence après avoir établi des règles de passage d’une structure à une autre. Un premier passage est effectué en gardant le même encombrement et un deuxième passage en dimensionnant la machine axiale pour satisfaire le même cahier des charges que la machine radiale. Dans une deuxième partie, le travail s’oriente vers la modification de la structure radiale de la machine de référence et son optimisation. Plusieurs modifications sont proposées dont une structure avec une cale magnétique qui est la plus performante. Des optimisations géométriques à l’aide de l’algorithme génétique sur un point de fonctionnement sont ensuite effectuées pour remédier aux deux problèmes. A la fin, un récapitulatif de plusieurs structures optimisées est proposé pour servir de référence. Le choix de la machine la plus adéquate pourra donc être effectué en faisant un compromis entre la maximisation du couple, la réduction de ses ondulations et la réduction des efforts radiaux. / This report deals with switched reluctance motor by offering design solutions to the drawbacks of torque ripples and radial forces in the same time. Torque ripples reduce the user comfort and radial forces are the origin of noise. In the first part, an axial structure characterized by low radial force is analysed. Indeed, an axial configuration with two stators and one rotor is the most appropriate to replace the reference radial machine. Ones the rules of passage from one structure to another are established, the axial structure is then compared to the reference one. A first passage is made by keeping the same volume and a second one by sizing the axial machine with the same specifications as the radial one. In the second part, the work concerns the modification of radial structure of the reference machine and its optimization. Several modifications are proposed including a structure with a magnetic wedge which is the most efficient. Geometric optimization using genetic algorithm are then performed on operating points to remedy the both problems. In the end, several optimized structures are proposed. The choice of the most suitable machine can be done by making a compromise between the torque maximization, reducing its ripples and reducing radial forces.

Dans un contexte mondial régi par de multiples facteurs économiques, énergétiques et environnementaux, la transition vers des modes de transport à zéro émission polluante semble inévitable. De ce fait, les constructeurs automobiles s’investissent de plus en plus dans le développement de groupes motopropulseurs électriques afin d’anticiper les besoins du marché. Parmi les différentes technologies de machines électriques considérées pour cette application, la Machine à Réluctance Variable à Double Saillance (MRVDS) présente des caractéristiques très attractives pour le milieu industriel.Les travaux présentés dans cette thèse visent à élaborer des solutions qui répondent aux points qui bloquent encore l’adoption de la MRVDS dans les véhicules électriques. Dans un premier temps, la commande en couple d’une MRVDS destinée à la traction électrique est analysée. En prenant en considération les exigences imposées par l’application envisagée, une stratégie de commande en couple est développée en intégrant deux méthodes complémentaires sur le plan de fonctionnement de la MRVDS choisie.Dans la deuxième partie, l’asservissement en courant est abordé. Les problématiques du contrôle propres à la MRVDS à forte dynamique de courant sont d’abord identifiées. Ensuite, deux régulateurs de courant, qui répondent à différents conditions d’implantation, sont présentés et validés par simulation.La dernière partie de cette thèse aborde le problème des à-coups d’accélération induits à basse vitesse et de leurs répercussions sur l'agrément de conduite. En effet, ce type de motorisation électrique introduit un nouvel aspect sur cette problématique. Une loi de commande anti-à-coups, composée de deux actions, est développée. Les simulations ont montré la conformité de la performance obtenue en utilisant la loi de commande proposée avec le cahier des charges industriel visé. / In a global context governed by multiple economic, energetic and environmental factors, the transition towards transportation modes with zero polluting emissions seems inevitable. Hence, automotive manufacturers are investing increasingly in the development of electric powertrains in anticipation of the market needs. Among the different electric motors technologies considered for this application, the switched reluctance motor (SRM) presents attractive characteristics for the industry.The work presented in this thesis aims to elaborate solutions in response to the points still hindering the adoption of the SRM in electric vehicles. First, torque regulation of an SRM intended for an electric traction is analyzed. Taking into consideration the requirements of the application in hand, a regulation strategy is developed through the integration of two methods which complement each other over the studied SRM range of operation.In the second part, the subject of current regulation in the SRM is discussed. The issues related to current regulation in SRMs disposing of high current dynamics are firstly identified. Then, two current regulators, each adapted to different implementation conditions, are presented and validated through simulations.The last part of this thesis discusses the acceleration jerks induced at very low speeds and their repercussions on driving comfort . Indeed, electric traction introduces a new aspect on this rather classic issue. An anti-jerk control law, composed of two control actions, is developed. Simulations have shown the conformity of the performance obtained with the proposed control law with the target industrial specifications.