Le développement de commandes en boucle fermée pour des entraînements électriques nécessite l'installation de capteurs pour avoir l'information de la rétroaction. Cependant, un éventuel défaut survenant sur l'un des capteurs installés (de courant, de vitesse/position,…) implique un disfonctionnement de la commande conduisant dans la plupart du temps à la mise hors service du système. Ces conséquences sont contraires aux exigences des industriels qui demandent des degrés de fiabilité du système de plus en plus élevés. Des statistiques montrent que le défaut capteur est fréquent. Il est donc impératif de trouver des solutions pour assurer la continuité de service des systèmes électriques dans le cas de présence de ce type de défaut. Tout d'abord, l'étude présentée dans ce manuscrit présente les technologies des différents capteurs installés et ce pour comprendre les raisons et le type de pannes qui pourraient survenir. Ensuite, le système sur lequel la validation des algorithmes développés est décrit. Il s'agit d'un entraînement électrique basé sur une machine à Double Alimentation (MADA) fonctionnant en mode moteur et connectée au réseau via deux convertisseurs. La commande associée est une Commande Directe de Couple (CDC). Elle est validée en mode sain aussi bien par simulation qu'expérimentalement. Après, les études réalisées prennent en considération les défauts capteurs de courants alternatifs et de vitesse/position. Les algorithmes développés, permettant une continuité de service, utilisent une redondance analytique et sont basés sur l'estimation et aussi sur la Détection et l'Isolation d'un éventuel Défaut (DID). Ils sont caractérisés par leur simplicité. Aussi, ils ne sont pas gourmands en termes de consommation en ressources matérielles et leur temps d'exécution est très court. Enfin, la validation expérimentale de ces algorithmes montre bien leur efficacité en cas de défaut, vu que le système s'avère insensible au défaut et continue à fonctionner sans interruption. La commande obtenue est alors tolérante aux défauts capteurs. / The development of closed loop controls for electrical drives requires the sensor installations in order to get feed back information. Nevertheless, any occurred sensor fault (current sensor,speed/position sensor,…) shows an operation system deterioration which leads in most cases to its shut down. This consequence is in contrast to industrial expectations especially concerning the system high accuracy that they are asking for. Statistic studies point out the sensor faults as frequent. So, it is necessary to find out solutions ensuring the system service continuity in case of any sensor fault. Firstly, the study presented in this work shows the used sensor technologies in order to understand both of the reason and the kind of occurred faults. Secondly, the studied system is presented which is an electrical drive based on a Doubly Fed Induction Machine (DFIM) operating in motor mode and connected to the grid by two inverters. The control developed is a Direct Torque Control (DTC). The control validation, in healthy operating mode, is realised throw simulation and experimentally. After, a study considering alternative current sensor and speed/position sensor faults are achieved. The developed algorithms are based on signal estimation, on a Fault Detection Isolation (FDI) and reconfiguration algorithms. In fact, they are simple to carry out, they don't need much hardware resources for implementation and their execution time is short. Finally, the experimental validation of the developed algorithms shows their efficiency. The system continues working even in presence of a sensor fault. Thus, the obtained control becomes a fault tolerant control thanks to these algorithms.

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.

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.

Le problème de la commande de machine asynchrone sans capteur mécanique de vitesse est très étudié dans les domaines de l'automatique et de l'électrotechnique. Ce travail porte sur la faisabilité de ce type de commande sur l'ensemble de la plage de vitesse et pour tout type de machine asynchrone afin d'être utilisée en traction ferroviaire. Une étude poussée de l'observabilité permet de définir une mesure quantitative continue de l'observabilité de la vitesse de la machine, appelée index d'observabilité. La synthèse d'un observateur confirme ainsi la correspondance entre les zones de faible index d'observabilité et celles où l'observation est de mauvaise qualité. L'index d'observabilité défini dans cette thèse permet donc de prédire les performances d'observation d'un système. L'originalité principale des travaux présentés tient dans l'utilisation de cet index d'observabilité dans la commande de la machine asynchrone sans capteur mécanique de vitesse. En tirant profit du degré de liberté qu'offre la variation d'amplitude du flux, nous proposons de garantir un index d'observabilité au-dessus d'un seuil tout en respectant les autres contraintes de la commande. L'observation de la vitesse devient alors précise sur toute la plage de vitesse, et un fonctionnement long est possible en tout point sans perturber le couple réalisé. Des expérimentations sur simulateur numérique viennent confirmer ces résultats, y compris lors de phases de patinage. L'observation des paramètres électriques est également étudiée afin de garantir la précision de l'observation de vitesse. Pour cela, la sensibilité de l'observation de vitesse aux variations de paramètres électriques et l'observabilité de ces paramètres sont étudiées, permettant de définir une nouvelle stratégie d'observation des paramètres électriques. Des essais sur banc de puissance, puis en application réelle sur un train régional, valident les performances de la commande sans capteur de vitesse proposée sur toute la plage de vitesse, et son adéquation aux contraintes d'une application ferroviaire. / The problem of speed sensorless control of induction machine is a well-studied problem in the field of automatic control and electrical engineering. This work addresses the problem of the feasibility of induction machine control over the whole speed range and for any type of induction machine, aiming at being used in a railway application. An intensive study of observability has defined a continuous quantitative measurement of the speed observability, named observability index. An observer was developped to confirme the correspondence between low-observability index areas and poor observation quality. The observability index defined in this thesis is thus a way to predict the observation performance of systems. The main originality of the work presented in this thesis is the use of this observability index in the induction machine speed sensorless drive. By taking advantage of the degree of freedom given by the variation of the flux amplitude, we propose to guarantee the observability index value above a given threshold while respecting the other constraints of the control. The speed observation becomes precise over the entire speed range, and a long time operation is possible on any point, without interfering with torque regulation. Experiments on real-time simulator confirm these results, including when slipping and sliding occurs. The electrical parameter observation is also studied to ensure the accuracy of speed observation. For this, the sensitivity of the speed observation to electrical parameter variations and the observability of these parameters are studied, leading to the definition of the electrical parameter observation strategy. The testings on power bench, and in real application on a regional train, validate the performance of the speed sensorless drive proposed on the entire speed range, and its suitability to the constraints of a railway application.

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.

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.

L'objectif de cette thèse est de proposer l'approche la plus appropriée afin de minimiser le coût d'intégration de petite éolienne dans un micro-réseau DC urbain. Une petit éolienne basé sur un machine synchrone à aimant permanent (MSAP) est considéré à étudier. Un état de l'art concernant les énergies renouvelables, micro-réseau DC, et la production d'énergie éolienne, est fait. Comme le capteur mécanique de cette structure est relativement d'un coût élevé, les différents types de contrôle pour un système de conversion éolienne sont présentés afin de choisir une structure active de conversion d'énergie et un MSAP sans capteur. Par conséquent, un estimateur de vitesse/position est nécessaire pour contrôler le système. Ainsi, les méthodes différentes proposées dans la littérature sont considérées et classifiées à étudier dans les détails, puis les plus efficaces et largement utilisés sont à vérifier dans la simulation et expérimentalement pour le système étudié. Les méthodes choisies sont: estimation de la flux de rotor avec boucle à verrouillage de phase (PLL), observateur à mode glissement (SMO), observateur de Luenberger d'ordre réduit, et filtre de Kalman étendu (EKF). Face à d'autres méthodes, l'estimateur basé sur un modèle EKF permet une commande sans capteur dans une large plage de vitesse et estime la vitesse de rotation avec une réponse rapide. Le réglage des paramètres EKF est le problème principal à sa mise en œuvre. Par conséquent, pour résoudre ce problème, la thèse présente une méthode adaptative, à savoir réglage-adaptatif d’EKF. En conséquence, et grâce à cette approche, le coût total du système de conversion est réduite et la performance est garantie et optimisée. / The aim of this thesis is to propose the most appropriate approach in order to minimize the cost of integration of a wind generator into a DC urban microgrid. A small-scale wind generator based on a permanent magnet synchronous machine (PMSM) is considered to be studied. A state of the art concerning the renewable energies, DC microgrid, and wind power generation is done. As the mechanical sensor for this structure is relatively of high cost, various types of wind conversion system control are presented in order to choose an energy conversion active structure and a sensorless PMSM. Therefore, a speed/position estimator is required to control the system. Thus, different methods proposed in literatures are considered and classified to be studied in details, and then the most effective and widely used ones are to be verified in simulation and experimentally for the studied system. The methods which are chosen are: rotor flux estimation with phase locked loop (PLL), sliding mode observer (SMO), Luenberger observer of reduced order, and extended Kalman filter (EKF). Facing to other methods, the EKF model-based estimator allows sensorless drive control in a wide speed range and estimates the rotation speed with a rapid response. The EKF parameters tuning is the main problem to its implementation. Hence, to solve this problem, the thesis introduces an adaptive method, i.e. adaptive-tuning EKF. As a result and grace to this approach, the total cost of conversion system is reduced and the performance is guaranteed and optimized.