<p>This thesis deals with the integral motor of tomorrow, and particularly with a variable speed, sensorless permanent magnet synchronous motor with an integrated converter. The rated power is 15 kW at 1500 r/min. The outer dimensions are approximately the same as for the equivalent standard induction motor.</p><p>Control strategies for pumps and fans, i.e. suitable loads for variable speed motors, are briefly described. The huge energy savings that can be made by reducing the speed instead of throttling/choking the flow are pointed out. Compared to installing an induction motor with a separate converter, a PM integral motor will probably pay-off in less than a year.</p><p>A <i>totally analytical</i> expression for calculating the airgap flux density of permanent magnet motors with buried magnets is derived. The analytical expression includes axial leakage, and iron saturation of the most narrow part of the magnetic circuit of the machine.</p><p>A computer program for optimization of PM motors with buried magnets has been developed. It was used to design the manufactured prototype PM integral motor, and the parameters are investigated with analytical and/or FEM calculations. The optimization program is also used to suggest nearoptimum pole numbers for desired powers (4-37 kW) and speeds (750- 3000 r/min) of inverter-fed PM motors. Results show that compact buried PM motors should have relatively large airgaps and high NdFeB-magnet masses to improve the efficiency. Ferrite magnets are unsuitable.</p><p>Measurements on the manufactured PM motor, the novel concept of stator integrated filter coils, and the complete PM integral motor are presented. Special attention was given to temperature and overall efficiency measurements.</p><p>The rotor cage losses were investigated by time-stepping FEM. Four short circuit fault conditions were also examined in order to evaluate the risks of demagnetization of the buried magnets. </p>

Afin de rendre compétitifs les véhicules hybrides ou tout électriques, l'amélioration des performances des machines électriques embarquées est primordiale. Dans cette optique, le travail présenté s'intéresse en particulier à l'estimation en ligne des variations de température au sein d'une machine synchrone à aimants permanents. De ce fait, nous proposons d'estimer les paramètres physiques dépendants de la température, à savoir la résistance des enroulements et le flux des aimants. La connaissance des variations de température ou de ces paramètres permet en effet d'éviter une dégradation des performances en adaptant le contrôle en couple et de mettre en place une surveillance thermique autorisant notamment une meilleure disponibilité de la machine, sans risque d'endommagement. Pour répondre à ce double objectif, nous proposons deux observateurs de paramètres basés sur une modélisation réaliste de la machine. Nous établissons donc, en premier lieu, un modèle électrique du moteur qui tient compte de possibles différences entre signaux mesurés et exacts et garantit la robustesse des observateurs aux paramètres mécaniques. Un algorithme d'identification hors ligne des paramètres est proposé pour valider le modèle. Puis, basé sur ce modèle réaliste, les deux observateurs proposés, dit de Luenberger et de Kreisselmeier, estiment respectivement, suivant certaines conditions d'observabilité, le flux et la position pour le premier et un ou plusieurs paramètres parmi la résistance, le flux et l'inductance pour le second. Ces observateurs n'utilisent que les mesures de courant et de tension, ainsi qu'une mesure de position pour l'observateur de Kreisselmeier. Des études théoriques et en simulation sont menées pour valider le fonctionnement des observateurs et appréhender au mieux leurs réglages. En particulier, nous présentons une étude évaluant l'impact du bruit de mesure sur l'observateur de Luenberger afin d'améliorer sa robustesse au bruit sur une large plage de régime. Finalement, l'implémentation des observateurs sur différents bancs d'essais fournit des résultats prometteurs, tant pour l'estimation des paramètres que pour la faisabilité d'estimer les variations de température. / To make hybrid and full electric vehicles competitive, the performance enhancement of the embedded electric motors is essential. For this purpose, the presented work focuses in particular on the online estimation of temperature variations inside a permanent magnet synchronous motor. Therefore, we propose to estimate the temperature dependant parameters, namely the winding resistance and the magnet flux. The knowledge of these parameters or their temperature variations allows indeed to avoid performance degradation by adapting the torque control and makes possible a thermal monitoring, especially for machine availability improvement without risk of damage. Aiming at this double objective, we propose two parameter observers based on a realistic model of the machine. Thus, we first consider an electrical model of the motor that takes account of possible differences between measured and exact signals and ensures robustness to the mechanical parameters. An offline least squares algorithm for parameters identification is proposed to validate the model. Then, based on this realistic model, we design two observers, called Luenberger and Kreisselmeier. According to some observability conditions, the first one estimates the flux and position while the latter estimates one or several parameters among resistance, flux and inductance. These observers use the currents, voltages, and position for the Kreisselmeier observer, as only measurements. Theoretical and simulation studies are conducted on the observers to validate their efficiency and for a better understanding of their setting parameters. In particular, we present a study assessing the measurement noise impact on the Luenberger observer to improve its robustness to noise over a wide speed range. Finally, the implementation of the observers on different test benches provides promising results, both on parameters estimation and on the feasibility of temperature variations estimation.

An optimization of a servo system for a satellite antenna system wasperformed. A brushless DC motor with an angle encoder was used, whoseangular velocity had to be controlled with great precision. Specializedhardware was used to implement field oriented control to directlycontrol the torque and magnetic flux of the motor. Multiple velocitycontrollers were tested for the closed servo system, which controlledthe amplitude of the motor current to achieve the given reference valuefor the angular velocity. A PI regulator was tested and evaluated aslacking in terms of precision, which was caused by low resolution of theerror signal for the angular velocity of the motor. This in turn wascaused by low resolution of the angular velocity measurement. Theanguluar velocity error signal was filtered to combat this, and a feedforward method was implemented where the reference value for the angularvelocity was integrated over time to generate a reference value for theangular position. Since the angular position could be measured withbetter precision, a better error signal based on the angular positioncould be generated which was then used as input to another regulatorwhose output signal was added to the original regulator to increase theaccuracy of the system significantly. The two regulator output signalswere then weighted based on the reference value for the angularvelocity. This was done because the two regulators performed well fordifferent velocity bands, which this method took into consideration. Thefinal servosystem fullfilled the set requirements by a good margin.

This diploma thesis is dealing with the design of a DC / AC converter for the control of PMSM motors. In the first step, the type of motor and the possibilities of sensing the position of the rotor are described. Subsequently, the power section is designed and the losses, heating, and approximate efficiency of the inverter are calculated. In the following step, the processor is selected and individual communication and protection circuits are designed. At the same time, control algorithms are analyzed. The last part is describing the implementation of the PCB and the inverter as a whole.

A permanent magnet synchronous motor is a type of motor that is used in several different application areas, not least in an autonomous robots where it is the motor that drives the wheels. Today, many actors choose simulation as a tool to save money and time when product tests are performed. This thesis covers both the process of modeling a permanent magnet synchronous motor and regulating it at low speeds, in a simulation environment. As previously mentioned, the motor is a permanent magnet synchronous motor and is a direct-driven outrunner, which means that the motor and the wheel are combined and that the rotor is spinning outside the stator. On current robots in production, there is a gear ratio between the motor and wheels to be able to regulate the motor at higher speeds and thus generate a torque. The gearing contributes to losses and is an extra cost, so the examination of a direct-drive motor is interesting. The direct-drive motor has a lower working speed and is therefore by some reasons more difficult to regulate when applying torque load to the motor. The motor is equipped with current sensors and a position sensor, which has a certain resolution. The position sensor is speed-dependent in the sense that at lower RPMs fewer measurements are obtained, which is a problem when regulating the motor. The thesis examines two different control strategies, one of which is a more classic PI control that is often used on the market in various systems and the other is model predictive control (MPC). The latter is an online optimization where, with the help of information about the system, an optimal input signal is calculated and applied. Two different non-linear Kalman filters are also examined, which are implemented with the two different control strategies, to estimate the speed with the help of the measurements from current and the position sensor. The conclusion is an ideal motor model that mimics the physical motor. MPC is able to regulate the motor between 0-50 RPM, both with and without applied torque and even better with speed estimation from a Kalman filter. The PI controller is not able to regulate the motor at 2 RPM but for speeds at 10 RPM and greater, however with over-/undershoot after an acceleration.

This master's thesis is divided into two parts. The first part concerns the development of a simulation model of a current controller and a physical drive unit, both implemented in Simulink with the use of legacy code and regulated with field oriented control. The second part concerns the development of a dead-time compensation algorithm. The dead-time is a small delay added to the pulse width modulation signal to diminish the risk of a short circuit in the power electronics. The dead-time causes a voltage distortion, resulting in distorted phase currents, a lower bandwidth and ultimately a decreased machine accuracy. The new simulation environment was able to simulate a real life scenario with promising results. Hence, it could be used to evaluate the dead-time compensation algorithms. Three different dead-time compensation algorithms were implemented and they all showed an increased smoothness of the phase currents as well as an increased controller bandwidth. Both these features are desirable outcomes and all three algorithms show potential to improve accuracy when implemented in a real system.

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Cette étude se concentre sur la synthèse de lois de commande de servo-entraînements accouplés à une charge flexible à paramètres incertains avec l’unique mesure de la position du moteur. La loi de commande a pour but de minimiser les effets de ces variations tout en gardant la maîtrise d’un cahier des charges de type industriel (temps de réponse, dépassement, simplicité d’implantation et de synthèse). De ce fait, un contrôleur et un observateur sont implantés. Un contrôleur de type retour d’état avec une minimisation d’un critère linéaire quadratique assurant un placement du pôle dominant est associé à un observateur de type Kalman. Ces deux structures utilisent des méthodologies classiques de synthèse : placement de pôles et choix de pondération des matrices de Kalman. Pour ce dernier, deux stratégies sont abordées. La première utilise les matrices de pondération diagonale standard. De nombreux degrés de liberté sont disponibles et donnent de bons résultats. La seconde défini la matrice des bruits d’état avec la variation de la matrice dynamique du système. Le nombre de degrés de liberté est réduit, les résultats restent similaires à la stratégie précédente, mais la synthèse est simplifiée. Ceci permet d’obtenir une méthode n’exigeant que peu d’investissement théorique de la part d’un ingénieur mais non robuste. Pour ceci, la méthode de micro-analyse caractérisant la stabilité robuste est appliquée en parallèle à un algorithme évolutionnaire autorisant une synthèse, plus rapide et plus précise qu’un opérateur humain. Cette méthode complète permet de voir les avantages d’une synthèse croisée de l’observateur et du correcteur au lieu d’une synthèse séparée. En effet, le placement optimal des dynamiques de commande et d’observation dans le cadre des systèmes à paramètres variants ne suit plus une stratégie classique découplée. Ici, les dynamiques se retrouvent couplées voire meme inversées (dynamique de la commande inférieure à celle de l’observateur). Des résultats expérimentaux corroborent les simulations et permettent d’expliquer les effets des observateurs et régulateurs sur le comportement du système. / This thesis is performing a study on the law control synthesis for PMSM direct driving to a load having its mechanical parameters variant. Furthermore, only the motor position is sensored. The control law aim is to minimize the eects of these variations while keeping the performance inside industrial specifications (response time at 5%, overshoot, implementation and synthesis simplicity). As a result, an observer is programmed jointly with a controller. A state feedback controller deduced from a linear quadratic minimization is associated with a Kalman observer. These both structures employ standard method definitions : poles placement and arbitrary weight of Kalman matrices choice. Two definitions strategies are employed for the observer. The first is the classical arbitrary weights choice. A lot of degrees of freedom are accessible and allow this observer to impose a good behaviour to the system. The second defines the system dynamic matrix variation as the state space noise matrix. The number of degrees of freedom decreases dramatically. However the behaviour is kept as well as the previous case. This method is then easy to understand for an engineer, gives good result but non robust in an automatic sense. Consequently, an automatic study on robustness, the micro- analysis, is added to this control definition for theoretically checking. In parallel with the study robustness, an evolutionnary algorithm leads to a quicker and more accurate synthesis than a human operator. Indeed, in the case of systems having variant parameters, the optimal dynamics choice for the controller and the observer is not following the classical way. The dynamics are coupled or even mirrored ( the controller dynamic is slower than the observer one). At the end, experimental results allow to understand the way that observer or controller operate on the system.

L’industrie aéronautique fait face à trois enjeux majeurs : la réduction de son empreinte environnementale, l’absorption de l’augmentation du trafic et le maintien d’un haut niveau de sécurité pour des systèmes de plus en plus complexes, à coûts équivalents. La maintenance prédictive permet de répondre en partie à ces trois enjeux. Les systèmes, dont on peut prédire la durée de vie peuvent être utilisés plus longtemps, ce qui diminue le nombre de composants utilisés sur la vie d’un avion. Prédire les pannes permet également d’augmenter la disponibilité des aéronefs en évitant les arrêts non planifiés. Enfin, le suivi de l’état de vieillissement de l’avion permet d’optimiser la maintenance et ainsi de réduire les coûts. Dans les années 2000, ces méthodologies ont été appliquées sur les moteurs. Elles commencent maintenant à se généraliser aux autres systèmes avioniques. Ainsi cette thèse concerne la mise au point de méthodologies amenant à la maintenance prédictive d’actionneurs électro – mécaniques (EMA) de commande de vol. Les problématiques et les contraintes (temps de calculs, quantités de mémoire…) liées à cette thématique sont détaillées. Dans un premier temps, le calcul de signatures de défauts est abordé. Une méthode pour les systèmes visécrou, basée sur l’identification d’un modèle de frottement, est proposée. Une deuxième méthode, reposant sur l’analyse des courants à partir d’une combinaison de décomposition modale empirique ensembliste complète et d’analyse aveugle de sources, est ensuite introduite. Ces deux méthodes sont testées sur des données issues de profils non opérationnels. Ces données sont issues d’un modèle de simulation représentant finement l’actionneur dans son environnement. L’ensemble des simulations représente des essais virtuels sur une population d’EMA. A partir de ces simulations, les signatures mises au point sont calculées. Puis, afin de valider ces signatures, des métriques de performances sont calculées. Le diagnostic par reconnaissance de formes est ensuite traité. Un algorithme reposant sur une combinaison de machine à vecteur de supports et de fonctions floues d’appartenances est proposé. Celui-ci peut notamment estimer la sévérité d’un défaut. Il permet également de détecter des points ne correspondant pas à la base d’apprentissage, qui peuvent représenter des défauts inconnus ou des points appartenant à plusieurs classes à la fois, pouvant représenter des cas de défauts combinés. L’architecture d’un système de diagnostic complet, basée sur l’algorithme conçu, est détaillée. Des validations expérimentales des méthodes de calcul de signatures et de diagnostic sont ensuite menées. Ces validations reposent sur trois bases issues de trois campagnes d’essais. La première repose sur des essais d’un EMA sain sur un banc représentatif. La deuxième concerne un moteur asynchrone en défaut en régime permanent. La dernière porte sur un moteur synchrone à aimants, de type aéronautique, en défaut de courtcircuit inter-spires en régime permanent. Le respect des contraintes par l’algorithme est vérifié. Enfin, des éléments pour aller vers le pronostic sont avancés. Le processus du pronostic est détaillé. Seule une partie de ce processus est traitée, sur des données issues de vieillissement de roulements. Dans un premier temps, le partitionnement de données de vieillissement pour créer des classes de sévérité de défaut est étudié. Cette tâche a amené à proposer une métrique, dite de cohérence temporelle, permettant de vérifier qu’un résultat de partitionnement satisfait aux contraintes pour le pronostic. Puis l’algorithme de classification proposé est validé sur les données partitionnées. Ceci amène à distinguer deux méthodes de validation, une approche dite diagnostic et une dite pronostic. Une méthode de normalisation, pour l’approche pronostic, est proposée. La prédiction des signatures dans le futur est ensuite traitée. Un algorithme de régression par vecteurs de support est utilisé [etc...] / The aeronautics industry is facing three major challenges: the reduction of its environmental impact, the absorption to the air traffic increase and a high level of safety for increasing complex systems, for equivalent costs. Predictive maintenance allows answering to these issues. Systems, for which the life can be predicted, can be used for a longer time. This reduces the number of components used in the lifetime of an aircraft. To predict failures also allow increasing the availability of aircrafts by avoiding unplanned downtime. Finally, monitoring the ageing of the aircraft allows to optimize maintenance and so to reduce costs. In the 2000s, these methodologies were applied to turbojets. It starts, now, to be generalized to others avionics systems. Therefore, this work deal with predictive maintenance methodologies for electromechanical actuator (EMA) for flight controls systems. Problems and constraints (computation time, memory quantities…) related to this subject are detailed. In a first part, fault feature computation methodologies are investigated. A first method is proposed for screw/nut systems. This method is based on the identification of a friction model. A second method, based on current analysis, is presented. This method uses a combination of empirical mode decomposition and independent component analysis. The two methods are tested on data from a non-operational profile. This data are from a simulation model which represents the EMA in the aircraft environment. The simulations performed represent virtual trials on a population of EMA. From these simulations, fault features are computed. Then, performances metrics are evaluated. Diagnosis by pattern recognition is then studied. An algorithm based on support vector machine and fuzzy membership functions is proposed. This algorithm can estimate the severity of a fault. It can also detect unknown observations, which can represent unknown faults or combined faults. The architecture of a global diagnosis system, based on the proposed algorithm, is detailed. Experimental validation of fault features computation and diagnosis algorithm is performed. These validations are based on three data bases. The first one is based on trials performed on a healthy EMA on a representative bench. The second consists in an induction motor at constant speed for different types of faults. The last one is from trials on a permanent magnet synchronous machine, of aeronautics type, for different kinds of short – circuit fault severities. The respect of the aeronautics constraints is verified. At last, elements for prognosis process are given. This process is detailed. Only a part of this process is treated, on a roller bearings benchmark database. First, the clustering for prognosis is studied. A metric, which allows verifying that the obtained clusters are coherent regarding time, and thus, checks the constraints for prognosis, is given. Then the proposed diagnosis algorithm is validated on the clustered data. This brought to perform two kinds of validation, a diagnosis oriented one and a prognosis oriented one. A method to normalize data for the prognosis oriented validation, based on sigmoid function, is given. The prediction of the features in the future is studied. A regression algorithm based on support vector regression is used. Finally, the diagnosis algorithm is applied to the predicted data. This allows to estimate the end of life, and so the remaining useful life for a given time. These estimations are evaluated regarding different kinds of performance metrics and regarding the constraints of the aeronautics applicative field

Les travaux présentés dans cette thèse concernent la modélisation et l’optimisation d’un ensemble Convertisseur-Machine devant fonctionner à haute vitesse. La première partie établit un état de l’art des méthodologies de conception relatives au dimensionnement optimal de systèmes d’entrainement et analyse les particularités du fonctionnement à haute vitesse. Puis, une modélisation analytique multiphysique des éléments du système est réalisée. Afin de mener une conception globalement optimale, les interactions significatives entre les éléments du système doivent être modélisées. Cela est effectué à l’aide d’une modélisation électrique fine – qui est le cœur de la caractérisation des interactions – mettant en œuvre une approche harmonique originale. Il en découle alors une modélisation des interdépendances entre onduleur et machine au niveau des pertes dans le système et de la qualité du couple. La modélisation est ensuite couplée à un algorithme génétique selon une méthodologie de conception hybride faisant intervenir des modèles analytiques puis par éléments finis. Enfin, cette démarche est appliquée au dimensionnement de deux systèmes d’entrainement dont le moteur est une MSAP à aimantation orthoradiale. Ces deux cas d’application ont été traités avec succès et ont mis en avant l’intérêt d’une approche « Système » dans la conception de systèmes d’entrainement. Par ailleurs nous avons analysé les morphologies des machines en fonction de la vitesse de rotation. Ceci a fait ressortir des capacités intéressantes de ce type de machines – pour la haute vitesse – d’un point de vue magnétique, mécanique, et des pertes au rotor. / The work presented in this thesis aims at the modelling and optimisation of a set Converter-Machine that is intended to run at high speeds. The first part is a state of the art of the conception methodologies related to the optimal design of drives and investigates the particularities of high speed operations. Then, an analytic and multiphysic modelling of the elements of the system is performed. But, in order to carry out a global optimal conception, the significant interactions between the various elements of the system must be modelled. This is achieved through a precise electrical model – that is the core of the characterization of the interactions – involving an original harmonic approach. From this follows a modelling of the interdependences between inverter and machine in the system losses and in the torque quality. The models are then associated with a genetic algorithm according to a hybrid methodology of conception involving analytical and finite-element models. Finally, this procedure is applied to the design of two drives of which the motor is a PMSM with circumferentially magnetised magnets. These two cases have been successfully handled and clearly show the assets of a “System” approach for the design of drives. In addition, the morphologies of the optimal machines are analysed according to their rotation speed. This analysis highlights some interesting abilities of this kind of machines – in high speed – regarding the magnetic and mechanical behaviours, and the rotor losses.