The research for electric vehicles has been growing during last years and the development of electric drive trains can be considered a main challenge. This thesis presents the electric drive train of the research concept vehicle (RCV) 2013, with particular focus on electric machines, motor controllers, and the communication system. In the first part of this thesis, the electric drive train configuration and components are described. In-wheel motors are proposed which is a permanent magnet synchronous machine (PMSM). This technology allows the use of autonomous corner modules (ACM) increasing the quality and safety of the system. Each of the four in-wheel motors has a controller enabling the use of torque or speed control mode. Furthermore, a dSPACE unit provides the total control of the system by CAN bus. Additionally, the dSPACE ControlDesk interface used to control the drive system is presented. In the second part, the heat sink of the AC Drive is investigated by measurements and analytical calculations. Furthermore, the motor temperature at different loads is also presented and discussed. Finally, the efficiency of an in-wheel motor (PRA 230) is studied. Also the efficiency of the motor controller is estimated and discussed.

Die exakte Parametrierung von Schenkelpolmaschinen zur realitätsgetreuen Nachbildung in dynamischen Simulationsmodellen stellt in der Praxis eine große Herausforderung dar. Neben fundierten Kenntnissen über die durchzuführenden Messungen ist auch eine sachgemäße Interpretation der Messergebnisse erforderlich. Gerade bei Spezialmaschinen wie Einphasensynchrongeneratoren oder bei einem größeren Maschinenpark, welcher parametriert werden soll, kann der Aufwand unüberschaubar werden. Der gesamte Prozess ist insgesamt zeit- und kostenintensiv sowie fehleranfällig. Die vorliegende Arbeit behandelt die generische und rechnergestützte Parameterbeschaffung von Schenkelpolsynchronmaschinen als Unterstützung der bisherigen Parametrierungsmethoden sowohl für 50-Hz-Drehstrommaschinen als auch für Spezialanwendungen wie Bahnstromgeneratoren oder Bahnumformer mit Sonderfrequenz 16,7 Hz. Für die Untersuchung von Dreiphasensynchronmaschinen hinsichtlich dynamischer Vorgänge in Simulationen kommen die Modellansätze in der absoluten und in der bezogenen Parameterebene zur Anwendung. Bei der Umrechnung dieser beiden Ebenen ineinander müssen die Stromverläufe für die gleiche Wicklungen identisch sein. Dies ist in der Praxis durch die häufige Vernachlässigung der Polstreureaktanz in den Ersatzschaltbildmodellen für Maschinen mit explizit ausgeführtem Dämpferkäfig nicht garantiert. Für Einphasenschenkelpolmaschinen ist darüber hinaus keine Darstellung mit bezogenen Parametern existent gewesen, sodass in dieser Arbeit die Modifikation der bekannten Modelle erfolgt, um auch die Einphasenmaschine der bezogenen Darstellung zugänglich zu machen. Weiterhin wird eine Methode entwickelt, die Polstreureaktanz näherungsweise simulativ zu ermitteln und dadurch die Stromverläufe äquivalenter Wicklungen in absoluter und bezogener Darstellung für sowohl für Ein- als auch für Dreiphasenmaschinen anzugleichen. Die zu parametrierende Maschine wird zunächst virtuell konstruiert und durch einen genetischen Algorithmus so lange optimiert, bis sie anhand weniger vorgegebener Zielkriterien der realen Maschine am nächsten kommt. Grundlage stellt ein aus der Fachliteratur recherchierter und in einigen Teilen in dieser Arbeit komplettierter Entwurfsprozess für Schenkelpolmaschinen dar. Dieser Entwurfsprozess wird durch die Entwicklung von grafischen Annäherungsfunktionen in seiner Genauigkeit deutlich verbessert, in dem diese die Stromverläufe der absoluten und bezogenen Parameterebene angleichen. Die Funktionsweise des erarbeiteten Verfahrens wird anhand von 13 realen Referenzmaschinen validiert, die durch den zusammengeführten und vervollständigten Entwurfsprozess allesamt exakt parametriert werden können. Weitere in der Dissertation entwickelte Möglichkeiten zur vereinfachten Parameterermittlung sind Vorgaben von vektoriellen Größen als Messgrößen oder von geometrischen Abmessungen für den Algorithmus. Das so entwickelte valide Verfahren stellt die Basis für weitergehende Optimierungsansätze dar. Der technische und wirtschaftliche Mehrwert besteht in einer Unterstützung bisheriger Parameteridentifikationsverfahren nach DIN EN 60034-4. Durch eine Kopplung mit einem zweiten Genetischen Algorithmus werden exemplarisch für alle Maschinen diejenigen Messungen aus der Norm identifiziert, die mindestens benötigt werden, damit unter Zuhilfenahme des in dieser Arbeit entwickelten Verfahrens die Maschine korrekt parametriert werden kann. Der ermittelte reduzierte Messaufwand wird auf alle Maschinen erfolgreich adaptiert bei gleichbleibender Ergebnisgüte hinsichtlich dynamischer Strom- und Spannungsverläufe. Mit dem Verfahren kann die Anzahl der durchzuführenden Messungen an der realen Maschine deutlich gesenkt werden.:INHALTSVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis I Verzeichnis über verwendete Formelzeichen V Abkürzungsverzeichnis X Abbildungsverzeichnis XI Tabellenverzeichnis XV 1 Einleitung 1 1.1 Hintergrund 1 1.2 Stand der Technik bei der Parameterermittlung 2 1.3 Hauptaugenmerk der Arbeit 3 1.3.1 Parameteridentifikation 3 1.3.2 Modellübernahme und Parametertransformation 4 1.3.3 Abgrenzung des Themas 4 1.4 Vorgehensweise und Methodik 5 1.5 Resultierender Forschungsbedarf 7 2 Theoretische Grundlagen zur Modellbildung der Synchronmaschine 8 2.1 Zielstellung und Ausgangslage 8 2.2 Parameterebenen der Synchronmaschine 9 2.2.1 Standardisiertes Ersatzschaltbild und dessen Parameter 9 2.2.2 Parameterebenen und deren Berechnungsmöglichkeiten 10 2.3 Modellbeschreibung der Synchronmaschine 13 2.3.1 Maschinenmodell auf Basis der Hauptflussverkettungen 13 2.3.2 Gleichungssystem der Synchronmaschine im dq-System 16 2.3.3 Bezugsgrößen und ihre Umrechnung in absolute Parameter 18 2.3.4 Anpassen des Drehphasenmodells für Einphasenmaschinen 21 2.3.5 Transformationsbeziehungen 23 2.4 Simulationsmodell der Synchronmaschine 28 2.4.1 Modellübersicht 28 2.4.2 Kurzbeschreibung der Maschinenmodelle 29 2.4.3 Lasteinprägung in das Synchronmaschinenmodell 31 2.4.4 Numerische Lösung des Differentialgleichungssystems 35 2.4.5 Vergleich der dynamischen Simulation zwischen absoluter und bezogener Parameterebene 36 2.5 Notwendige Primärdaten zur Berechnung der Simulationsparameter 38 2.5.1 Darstellung der Versuche aus der Norm 38 2.5.2 Ablaufplan 39 2.5.3 Formelsatz zur exakten Bestimmung der Rotorwiderstände und der gemeinsamen Polstreureaktanz 41 2.6 Haupteinflussgrößen auf die dynamische Simulation und deren Güte 42 2.6.1 Einleitung 42 2.6.2 Diskussion der Simulationen 43 2.6.3 Erkenntnisse 50 3 Konstruktiver Aufbau der Synchronmaschine 52 3.1 Zielstellung und Ausgangslage 52 3.2 Stator- und Rotorelemente 52 3.2.1 Grundlegender Aufbau 52 3.2.2 Wicklungsaufbau 54 3.2.3 Statorwicklungsaufbau bei Einphasen- und Dreiphasenmaschinen 57 3.3 Rotorkonstruktion und Polwicklungen 58 3.3.1 Konstruktiver Aufbau 58 3.3.2 Polform 59 3.3.3 Varianten der Erregerwicklung 61 3.3.4 Varianten der Dämpferwicklung 62 3.3.5 Trägheitsmoment 66 3.4 Zusammenstellung der verschiedenen Maschinenarten 68 3.4.1 Ausblick 68 3.4.2 Vereinfachungen 68 4 Beschreibung der Entwurfsrechnung 70 4.1 Zielstellung und Ausgangslage 70 4.2 Absolute Parameter und ihre Berechnung 71 4.2.1 Einleitung 71 4.2.2 Formelsatz zur Berechnung der absoluten Parameter 72 4.3 Berechnung der Hauptinduktivitäten 74 4.3.1 Ablaufplan bei der Ermittlung 74 4.3.2 Ermittlung der Längs- und Querinduktivitäten 75 4.3.3 Bestimmung der Hauptabmessungen 75 4.3.4 Ermittlung der Statorstreuinduktivität 78 4.4 Berechnung der Erregerwicklung 83 4.4.1 Berechnung des notwendigen Leiterquerschnitts der Erregerwicklung 83 4.4.2 Berechnung der Bezugsgrößen und des Übersetzungsverhältnisses 88 4.5 Berechnung der Dämpferwicklung 89 4.5.1 Maschinen mit künstlich ausgeführtem Dämpferkäfig 89 4.5.2 Maschinen mit natürlicher Dämpfung 92 4.6 Mechanische Auslegung – Trägheitsmoment 92 4.6.1 Einleitung 92 4.6.2 Empirische Näherungsformel 93 4.7 Flexible Parameter 95 5 Der Genetische Algorithmus als Steuerungsmodul des Entwurfgangs 97 5.1 Übersicht 97 5.1.1 Grundsätzliche Funktionsweise eines Evolutionären Algorithmus 97 5.1.2 Anforderungen an den Optimierungsalgorithmus 98 5.2 Konkrete Anwendung auf den Entwurfsprozess 100 5.2.1 Übersicht 100 5.2.2 Zielkriterien 101 5.2.3 Konvergenzkriterien 103 5.2.4 Mehrfache Berechnung der Maschinen 104 6 Validierungsprozess 106 6.1 Vorhandene Datenlage und Komplettierung der Parametersätze 106 6.1.1 Zielstellung 106 6.1.2 Analyse des Maschinenparks 107 6.1.3 Grundeinstellungen 109 6.2 Nachrechnen der bezogenen Parameter unter Berücksichtigung der Polstreureaktanz 111 6.2.1 Zielstellung 111 6.2.2 Simulation mit Standardzielkriterien 113 6.2.3 Optimierung der Zielkriterien mittels grafischer Angleichung 119 6.2.4 Größenordnung der gemeinsamen Polstreureaktanz 128 6.2.5 Berechnung des Trägheitsmomentes 131 6.3 Validierung der absoluten Parameterebene 132 6.3.1 Referenzparameter der absoluten Parameterebene 132 6.3.2 Vergleich mit den berechneten Modelldaten 132 6.4 Parameterermittlung durch Vorgabe eines Messverlaufs 134 6.4.1 Messverlauf 134 6.4.2 Ergebnisse bei Vorgabe des Erregerstroms 136 6.5 Bestimmung der Minimalversuche 139 6.5.1 Zielstellung und Vorbereitung 139 6.5.2 Simulationsaufbau 140 6.5.3 Simulation 142 6.5.4 Anwendung der Minimalparametersätze auf den Maschinenpark 151 7 Zusammenfassung 154 7.1 Zielstellung der Arbeit 154 7.1.1 Entwicklung eines Verfahrens zur Parametrierung von Schenkelpolmaschinen 154 7.1.2 Schlussfolgerungen 155 7.2 Beantwortung der Forschungsfragen 156 7.3 Modellkritik und Ausblick 158 Literaturverzeichnis 160 Verzeichnis über Anhänge 164 VERZEICHNIS ÜBER ANHÄNGE A Weiterführende Maschinenberechnung 166 A.1 Berechnung der Koppel- und Eigeninduktivitäten des Erreger- und Dämpferstromkreises 166 A.2 Berechnung der Wicklungsfaktoren für die Dämpferwicklung 167 A.3 Berechnung der Streuziffern für die Dämpfer- und Erregerwicklung 169 B Tabellen zur Grafischen Konvergenz 176 B.1 Versuch ohne Grafische Konvergenz 176 B.2 Versuch GK I 176 B.3 Versuch GK II 176 B.4 Versuch GK III 177 C Versuche zur Polstreureaktanz 178 C.1 Erläuterungen 178 C.2 Rotorgrößen bei Vorgabe der Polstreureaktanz 178 D Einfluss der Polstreureaktanz auf den Entwurfsprozess 180 D.1 Erläuterungen 180 D.2 Rotorgrößen – Vergleich dynamische Simulation absolute und bezogene Parameterbene mit Polstreureaktanz 180 D.3 Rotorgrößen – Vergleich dynamische Simulation absolute und bezogene Parameterbene ohne Polstreureaktanz 185 E Versuche zu Messverläufen 190 E.1 Erläuterungen 190 E.2 Statorgrößen 190 E.3 Rotorgrößen 192 F Versuche zu Minimalversuchen 194 F.1 Erläuterungen 194 F.2 Statorgrößen 194 F.3 Rotorgrößen 196 G Ermittelte Referenzparameter anhand der PU-Werte der Datenblätter 198 G.1 Erläuterung 198 G.2 Maschinensätze 198

Traffic congestion in large urban and metropolitan areas is a substantial problem plaguing these areas. Not only are commuters losing valuable time, but greenhouse gas emissions are substantially worse because of congestion. Considerable research and development into next generation electrified aircraft is ongoing to introduce air mobility as a viable new means of transporting people and goods across long commutes. This development extends into commercial aviation as a whole as a means of reducing the industry’s carbon footprint with new aircraft designs that employ electrified propulsion systems. Many electrified aircraft projects are currently underway, ranging from small commuter aircraft all the way to large twin-aisle aircraft, and part of the development scope for alot of these projects is creating highly robust and power dense electric machines that replace the current state-of-the-art. The axial flux permanent magnet synchronous machine is an exciting candidate for aircraft propulsion due to its exceptional torque density and compact axial nature. In this thesis, the mechanical design for three generations of axial flux permanent magnet synchronous machines is discussed. These machines serve as development phase prototypes for machines that are ultimately intended for propulsion applications in commercial aviation, particularly for eVTOL aircraft. The motivation for electrification in the commercial aviation industry is discussed, followed by an overview of the development landscape for electrified propulsion systems in commercial aviation, focusing primarily on electric machines that are currently state-of-the-art or are set to be in the near future, as well as what is required for future electric machines in terms of power output and power density. The axial flux architecture is then presented, including a high-level comparison to the radial-flux architecture, an overview of the various axial flux machine designs and topologies, and a discussion of the inherent mechanical design challenges associated with the axial flux architecture. The yokeless and segmented armature axial flux permanent magnet synchronous machine design was selected for the machines developed as part of the research for this thesis, and the discussion of the mechanical design of these machines is broken up into the two core sub assemblies: stator assembly and rotating assembly. High-level design methodologies are introduced for both sub-assemblies, which is further broken down into different approaches pertaining to each generation. The first and second generation designs are presented at a high level, followed by deep-dives into the complete mechanical design for the third generation stator, the bearing selection, arrangement, and analysis for the third generation rotating assembly, and adhesive characterization trials used to guide adhesive selection for rotor magnetics retention in the second and third generation machines. The current status of the machines and any outcomes from testing that has been conducted thus far, particularly with respect to performance, is presented at the end. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

No description available.

Le travail présenté dans cette thèse est une contribution à la commande de la Machine Synchrone à Double Excitation (MSDE) pour des applications embarquées. La MSDE allie les avantages de la machine synchrone à aimants permanents et la machine synchrone à rotor bobiné. Le flux d'excitation dans cette machine est généré par deux sources : les aimants permanents et un enroulement qui est placé au stator afin d'éviter les contacts glissants. Cette dernière source permet de régler le flux dans l'entrefer. Le modèle de la machine est basé sur un modèle de Park et prend en considération les pertes fer et la saturation des circuits magnétiques. Les paramètres du prototype existant au laboratoire ont été identifiés. La commande de la MSDE est effectuée en deux modes : générateur et moteur. En génératrice, l'application visée est la génération électrique en avionique. Deux réseaux de distribution sont traités : Réseau à haute tension et à fréquence variable et réseau haute tension DC. Dans ce dernier cas, la MSDE est associée à un pont redresseur à diodes. Dans les deux cas, la commande est élaborée dans le but de maintenir l'amplitude de la tension constante via le control du courant d'excitation uniquement. Le control est scalaire. L'approche est validée par simulation avec Matlab/Simulink et par expérimentation. Pour le mode moteur, l'application visée est la propulsion dans un véhicule électrique. Une commande optimale des courants est étudiée en vue de minimiser les pertes. Les pertes joules sont considérées premièrement. Ensuite, les pertes fer sont ajoutées. Finalement, le problème de minimisation est étendu pour inclure les pertes dues à l'onduleur et au hacheur. L'optimisation par la méthode des multiplicateurs de Lagrange (Kuhn-Tucker conditions) est utilisée pour trouver des expressions analytiques des courants statoriques et inducteur optimaux. Des simulations avec Matlab/Simulink prouvent que la solution obtenue est celle qui assure les pertes minimales tout au long du nouveau cycle de conduite européen. / This thesis is a contribution to the control of the Hybrid Excitation Synchronous Machine (HESM) in embedded applications. The HESM combines the advantages of the Permanent Magnets (PM) machine and the wound rotor machine. The excitation flux in this machine is produced by two different sources: the PMs and a DC field winding that is placed at the stator to preserve a brushless structure. The latter source is used to control the flux in the air gap. The machine model is based on a Park model and takes into account the iron losses and the magnetic circuit saturation effect. The electric parameters of the laboratory prototype are identified. The machine is controlled in generator mode and motor mode. In power generation system, the study treats in particular the aircraft power supply in more electric aircrafts. Two distribution networks are studied: High voltage variable frequency network and high voltage DC network. In the latter case, the HESM is coupled to a diode bridge rectifier. In both cases, the control aims to maintain the output voltage magnitude equal to its reference via action on the field current only. The control is scalar. Simulation with Matlab/Simulink and experiments validate the approach. For the motor mode, the attention is paid to the electric propulsion in an electric vehicle. An optimal current control with minimal losses is elaborated. The copper losses are considered in a first place. Iron losses are added next. Finally, the optimization problem is extended and it includes the losses due to the inverter and the chopper. Analytical expressions of the reference armature and field currents are computed using extended Lagrange multiplier method (Kuhn-Tucker conditions). Simulation with Matlab/Simulink software proves that the analytical solution yields indeed to the current combination that guarantees the minimal losses over the New European Driving Cycle.

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le contexte du développement de groupes motopropulseurs électriques pour véhicules automobiles. Ces développements ont mis en lumière les problématiques liées aux phénomènes acoustiques et vibratoires des machines électriques, spécifiques à l'application automobile. L'objectif de ces travaux est la mise en place de lois de commande dédiées à la réduction d'harmoniques de courant à l'origine d'harmoniques vibratoires.Pour cela, les différents éléments du système ont été modélisés, puis les paramètres du modèle électrique de la machine ont été identifiés au moyen de mesures expérimentales.Deux stratégies de commande ont ensuite été développées puis mises en place. D'une part, un régulateur dédié à l'harmonique de courant visé a été synthétisé par optimisation H-infini. D'autre part, la modélisation de l'origine de cet harmonique comme provenant d'un signal perturbateur externe a permis la compensation de celui-ci au moyen d'un observateur.L'efficacité de ces deux stratégies sur la réduction des harmoniques de courant visés et des harmoniques vibratoires correspondants a été validée expérimentalement sur banc d'essai vibratoire. / This work takes place in the context of the development of powertrains for electric vehicles. Those developments have raised new issues such as noise and vibrations of electrical machines, which are important issues in automotive applications. The aim of this thesis is to develop control laws dedicated to the reduction of currents harmonics that are responsible for vibration harmonics.In that purpose, different parts of the system have been modelled. Parameters of the electrical model of the studied machine have then been identified thanks to experimental measurements.Two different control laws are proposed and developed. One the one hand, a controller is synthetized thanks to H-infinity optimization. On the other hand, the studied current harmonic is modelled as coming from an external disturbance. This virtual disturbance is estimated thanks to an observer and compensated.

La disponibilité de certains capteurs est indispensable pour le contrôle des machines électriques dans une application automobile. Cette thèse constitue une contribution à l'étude d'une commande tolérante aux défauts pour un entraînement électrique dans le cadre du projet SOFRACI. Pour pallier une défaillance de ces capteurs, des stratégies sont mises en place pour assurer une continuité de fonctionnement ou un arrêt sûr. Dans le cas de la machine synchrone, les capteurs les plus critiques sont: le capteur de position, les capteurs de courant et le capteur de bus de tension continue. C'est dans ce contexte que l'on a développé des algorithmes de commande tolérante aux défauts avec successivement des étapes de détection, d'isolation et de reconfiguration. Ensuite, la validation expérimentale a été effectuée sur un banc composé d’une machine synchrone et d’un onduleur avec 3 ponts H conçus pour la propulsion d’un véhicule électrique. Ainsi les méthodes développées et qui s’appuient principalement sur la théorie du contrôle, sont évaluées expérimentalement à travers des injections de défauts en temps réel, avec un accent mis sur le temps nécessaire à la détection. / During the last decade, Fault Tolerant Control (FTC) has become an increasingly interesting topic in automotive industry. The operation of electrical drives is highly dependent on feedback sensors availability. With the aim of reaching the required level of availability in transportation applications, the drive is equipped with a DC voltage sensor, three current sensors (due to safety requirements in electric vehicle standards) and a position sensor. This PhD is a contribution to the study of an electrical drive fault tolerant control. The objective is to have a system, which can adaptively reorganizes itself at a sensor failure occurrence. Consequently, strategies are defined from the early preliminary design steps, so as to facilitate fault detection, fault isolation and control reconfiguration. To this purpose, our work goes from theoretical studies toward experimental validations through the model simulation using control theory.In this thesis, FTC algorithms are developed for the rotor position, the phase currents and DC link voltage sensors. The experimentally validation is perform with an electrical drive composed of a Permanent Magnet Synchronous Machine and a 3H bridge inverter. Thus, the developed methods are evaluated experimentally through real time fault injection, with an emphasis on the detection time.

More electric aircraft is an electrification scheme of aircraft system with high technical feasibility and good economy. It can reduce the weight of aircraft structure, improve maintenance efficiency and reduce fire hazards. However, the electrification of aircraft system will drastically increase the proportion of electrical equipment, the total power demand and the difficulty of fault diagnosis. This paper uses the energy management method to take up the challenge, with focus on fault diagnosis of permanent-magnet synchronous machines (PMSMs), adaptive load shedding and energy efficient aircraft design. A literature review of the concept evolution from all/more-electric aircraft to energy-optimized aircraft is presented. The main issues of the aircraft electrification process are summarized, and followed by an introduction to the current research and methods. The model of the aircraft electrical system is qualitatively and mathematically recalled, including the generator, the battery, the DC motor, the AC motor, and the electric power converter. The accuracy and computation cost of the aircraft model depends on the complexity of the subsystem models that are involved. Therefore, the level of detail that is necessary for a good precision-versus-simulation-time ratio is discussed by taking the electric system of an industrial level hybrid energy quadcoptor UAV as an example. The analysis shows that the bi-directional instruments, i.e. the electric machine, should be modeled in details while other components can be simplified. PMSMs are a group of on-board electric machines with promising future prospects because of high power density and stability. The model of PMSMs is further developed in this work, especially in the inter-turn and phase-to-phase short-circuit conditions. In case of inter-turn short-circuit fault, a winding-function-based and a fault-current-based model are separately developed. The accuracy of both models are verified and compared through experimental results. The fault-current-based modeling method is applied to the phase-to-phase short-circuit fault and experimentally examined and discussed. General condition monitoring methods require the use of a large number of sensors. A fault detection and isolation method that can have low requirement of sensor is recalled and inherited. The description of the fault phase identification index using this method is relatively imprecise, which is not applicable to the inter-turn short-circuit fault. In this work, the analytical expression of the faulty phase identification index is derived based on the fault models. A method to isolate inter-turn and phase-to-phase short-circuit faults is proposed by a combination of the current- and the voltage-signature residuals. This development expands the application scope of the original fault detection and isolation tool and improves its accuracy. The validity of this fault diagnosis method has been verified by experimental results.Load management is developed to guarantee the normal operation of critical loads by shedding some other loads in case of emergency. Generally, binary decisions are made: either something has gone wrong or everything is fine. However, different types of fault influence the working performance of the load and the entire network in different ways. There are multiple states between totally wrong and pure fine, and the load management decision should be adaptive to each state. In this work, fuzzy logic method is used to degrade the load priority according to the instantaneous working state. Combining it with the fault detection and isolation process, a fault-tolerant adaptive load management is achieved. Finally, this work discusses the aircraft design from the energy management point of view, which consists of the energy efficiency analysis and the multidisciplinary energy efficient design of the integrated aircraft system. The first thermodynamic efficiency has been widely used as a common parameter for depicting the energy utilization, i.e. the ratio of output to input power of the system. However, it ignores the irreversible increase of the entropy and cannot reveal the upper limit of the available work of the system.Based on the second thermodynamic law, this work uses the exergy parameters to analyze the energy utilization of a MEA design scheme. Based on the exergy analysis, an energy-efficient aircraft design method is proposed by optimizing the exergy lost of the whole design. The method could provide a global optimization reference for the integrated aircraft design of a MEA. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le contexte du développement de groupes motopropulseurs électriques pour véhicules automobiles. Ces développements ont mis en lumière les problématiques liées aux phénomènes acoustiques et vibratoires des machines électriques, spécifiques à l'application automobile. L'objectif de ces travaux est la mise en place de lois de commande dédiées à la réduction d'harmoniques de courant à l'origine d'harmoniques vibratoires.Pour cela, les différents éléments du système ont été modélisés, puis les paramètres du modèle électrique de la machine ont été identifiés au moyen de mesures expérimentales.Deux stratégies de commande ont ensuite été développées puis mises en place. D'une part, un régulateur dédié à l'harmonique de courant visé a été synthétisé par optimisation H-infini. D'autre part, la modélisation de l'origine de cet harmonique comme provenant d'un signal perturbateur externe a permis la compensation de celui-ci au moyen d'un observateur.L'efficacité de ces deux stratégies sur la réduction des harmoniques de courant visés et des harmoniques vibratoires correspondants a été validée expérimentalement sur banc d'essai vibratoire. / This work takes place in the context of the development of powertrains for electric vehicles. Those developments have raised new issues such as noise and vibrations of electrical machines, which are important issues in automotive applications. The aim of this thesis is to develop control laws dedicated to the reduction of currents harmonics that are responsible for vibration harmonics.In that purpose, different parts of the system have been modelled. Parameters of the electrical model of the studied machine have then been identified thanks to experimental measurements.Two different control laws are proposed and developed. One the one hand, a controller is synthetized thanks to H-infinity optimization. On the other hand, the studied current harmonic is modelled as coming from an external disturbance. This virtual disturbance is estimated thanks to an observer and compensated.

L'objectif du travail réalisé dans le cadre de cette thèse est de montrer l'intérêt d'utiliser les FPGAs (Field Programmable Gate Array) comme support pour l'implantation d'algorithmes complexes dédiés à la commande de machines électriques. Pour ce faire, une commande sans capteur mécanique utilisant un filtre de Kalman étendu et basée sur FPGA est réalisée. Cette commande est destinée à piloter une machine synchrone à pôles saillants. Le modèle d-q de la machine basé sur l'approximation d'inertie infinie est implanté. L'ordre du Filtre de Kalman est donc égal à 4 et la complexité totale de la boucle de régulation est évaluée à près de 700 opérations arithmétiques (dont plus de 53% de multiplications). Les apports des solutions FPGAs en termes de performances de contrôle et en termes de capacité d'intégration sont quantifiés.En terme de performances de contrôle, il a été démontré qu'en utilisant de telles solutions matérielles, le temps de calcul est très réduit (de l'ordre de 5µs, 5% de la période d'échantillonnage). Cette rapidité de calcul permet d'avoir un contrôle quasi-instantané ce qui améliore la bande passante de la boucle de régulation. A ce sujet, une comparaison avec les performances obtenues avec une solution logicielle telle que le DSP est effectuée. Dans les deux cas, le comportement dynamique de la boucle de régulation s de vitesse ans capteur est quantifié.En termes de capacité d'intégration, il est possible de développer une architecture commune qui peut être adaptée à plusieurs systèmes. A titre d'exemple, il est possible de développer un filtre de Kalman sur un même FPGA capable d'estimer les grandeurs de plusieurs systèmes sans pour autant affecter les performances de contrôle. En outre, une méthodologie de développement dédiée à de tels algorithmes complexes est proposée. Il s'agit là d'une adaptation des méthodologies proposées dans des travaux de thèse précédents, [62] et [63]. En effet, une étape de spécification préliminaire du système ainsi que des procédures d'optimisation supplémentaires y sont introduites. Ces dernières sont particulièrement nécessaires dans le cas de commandes complexes et permettent une adéquation entre l'algorithme développé et l'architecture FPGA correspondante. De plus, cette méthodologie a été organisée de façon à distinguer l'étape du développement de l'algorithme et l'étape du développement de l'architecture FPGA. Un état de l'art sur les technologies FPGA est également proposé. La structure interne des FPGAs récents est décrite. Leur contribution dans le domaine de la commande des machines électriques est quantifiée. Les différentes étapes de la méthodologie de développement sont présentées. Le développement d'une commande numérique (basée sur FPGA) d'une machine synchrone à aimant permanent associée à un capteur de position Resolver est par la suite traité. Cette application s'inscrit dans un contexte avionique où l'objectif était d'avoir une solution FPGA hautement intégrée. Pour ce faire, le FPGA Actel Fusion est utilisé. Ce composant intègre un convertisseur analogique numérique. La commande, le traitement des signaux Resolver ainsi que la conversion analogique numériques sont implantés sur le même composant.En ce qui concerne la commande sans capteur basée sur le filtre de Kalman étendu, il a été décidé de structurer les chapitres correspondants à travers la méthodologie de développement proposée. Ainsi, la phase de spécification préliminaire du système, la phase du développement de l'algorithme, la phase du développement de l'architecture FPGA et la phase d'expérimentation sont séparément traitées. Durant la phase d'expérimentation, la procédure «Hardware-In-the-Loop (HIL)» est incluse afin de valider le fonctionnement de l'architecture développée une fois la phase d'implantation physique achevée. / The aim of this thesis is to present the interest of using Field Programmable Gate Array (FPGA) devices for the implementation of complex AC drive controllers. The case of a sensorless speed controller using the Extended Kalman Filter (EKF) has been chosen and applied to a Salient Synchronous Machine (SSM). The d-q model based on the infinite inertia hypothesis has been implemented. The corresponding EKF order is then equal to 4 and the complexity of the whole sensorless controller is equal to 700 arithmetic operations (more than 53% of multiplications). The contribution of FPGAs in this field has been quantified in terms of control performances and in terms of system integration. In terms of control performances, the proposed FPGA-based solution ensures a short execution time which is around 5µs (5% of the sampling period). This treatment fastness ensures a quasi-instantaneous control which improves the control bandwidth. To this purpose, a comparison with a software DSP-based solution is made. The dynamic behavior and the influence of the execution time, in both cases, on the control bandwidth have been quantified. In terms of integration capacity, it is possible to implement a generic FPGA architecture that can be adapted to the control of several systems. Thus, it is possible to develop a common EKF architecture that is able to estimate variables from many systems without affecting the control performances.In addition, a design methodology adapted to such complex controllers has been proposed. The particularity of this updated methodology, compared to the previous ones ([62], [63]), is to provide an enlarged set of steps starting from the preliminary system specification to the ultimate experimentation. Optimization procedures have also been introduced. These optimizations are necessary in case of complex controllers and lead to the adequation between the developed algorithm and the corresponding hardware FPGA architecture. A state of the art FPGA technology is also presented. The internal structure of the recent devices and their corresponding technology are discussed. Their contribution in the field of AC drive applications is quantified. An in-depth presentation of the proposed design methodology is made.Besides, the development of a fully integrated FPGA-based controller for a Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) associated with a Resolver sensor is presented. This controller has been developed in for an aircraft application where the main objective was to develop a fully integrated FPGA solution. The Actel Fusion FPGA device has been used. This device integrates an Analog to Digital Converter (ADC). The current controller, the Resolver Processing Unit (RPU) and the analog to digital conversion are implemented within the same device. When it comes to the sensorless controller, the corresponding chapters have been structured according to the presented design methodology: the preliminary system specification, the algorithm development, the FPGA architecture development and finally the experimentation. The latter includes Hardware-In-the-Loop (HIL) tests and the final experimental validation.