Le travail proposé dans cette thèse porte sur l’amélioration de l’efficacité énergétique et de la sûreté de fonctionnement de la Machine à Réluctance Variable (MRV). D’abord, nous avons présenté la commande de la MRV en modes moteur et générateur débitant sur bus continu. Pour le mode moteur, on cherche à réguler la vitesse de rotation et le couple, alors qu’en mode générateur, l’objectif de la commande est de maintenir constante la tension du bus malgré les fluctuations de la vitesse et de la charge. Une démarche itérative est proposée pour la maximisation du rendement global. Trois paramètres de réglage ont été choisis : L’angle d’amorçage (Ψ), l’angle de conduction (Θp) et le courant de référence des phases (Iref). L’efficacité de l’algorithme est évaluée à travers des simulations et des tests expérimentaux. Un rendement global maximal de 70% est atteint pour des vitesses et couples élevés. Ensuite, on s’est intéressé à la connexion de la Génératrice à Réluctance Variable (GRV) au réseau alternatif monophasé ou triphasé dans le cadre d’une application éolienne. La tension continue à la sortie de la GRV est convertie en une tension alternative par un convertisseur DC-AC. Le premier objectif est de maintenir la tension du bus continu à sa valeur nominale; le second est de contrôler la qualité du courant injecté dans le réseau. En monophasé, trois types de correcteur sont testés pour réguler le courant sinusoïdal (un correcteur PI, un correcteur Résonant et un correcteur Proportionnel-Résonant). En triphasé, une commande VQ dans le référentiel de Park est adoptée: La tension du bus continu est contrôlée à travers le courant id et la puissance réactive est contrôlée par le courant iq. Les résultats de simulation montrent qu’on obtient des courants quasi-sinusoïdaux avec un taux de distorsion harmonique inférieur à 1% aussi bien en monophasé qu’en triphasé. Enfin, pour améliorer la sûreté de fonctionnement de l’actionneur et réduire les coûts liés à l’utilisation de capteurs mécaniques, trois stratégies de commande sans capteur de position sont présentées. La première est basée sur la technique d’injection. La deuxième repose sur l’estimation du flux. La troisième s’appuie sur les observateurs adaptatifs. On trouve que la technique d’injection et la méthode basée sur la mesure du flux fonctionnent de façon complémentaire. La première est efficace en basses vitesses et ne dépend pas de la charge, la deuxième est performante en hautes vitesses et pour des charges élevées. L’observateur adaptatif proposé assure une convergence exponentielle de la position malgré le modèle analytique simplifié de l’inductance utilisé pour la synthèse. Son principal avantage réside dans sa robustesse aux variations paramétriques et au couple de charge qui est estimé. / The work proposed here focuses on the improvement of the energy efficiency and the safety of the Switched Reluctance Machine (SRM). First, the control of the SRM in motor and generator modes is presented. In motor mode, the speed and the torque are regulated, while in generator mode, the objective is to keep constant the DC bus voltage. An iterative optimization algorithm is proposed formaximizing the global efficiency. The analysis of the electromechanical energy conversion has shown that there is an optimal combination of the control variables - turn on angle (Ψ), conduction angle (Θp) and reference current (Iref) – to maximize the efficiency. The strategy is evaluated using intensive numerical simulations and experimental validation. Thanks to the optimization, the global efficiency reaches 70% almost from half the nominal speed to the maximum speed. Then, the Switched Reluctance Generator (SRG) is used as an AC generator for a Wind Energy Conversion (WEC) application. The produced DC power is converted into AC power by means of voltage inverter and delivered to the AC grid. The first issue of the WEC control is to maintain constant the output DC voltage despite the wind speed variations and the load uncertainty. The second issue is to control the quality of the current. In single-phase AC network, three controllers are tested to regulate the AC current (PI controller, Resonant controller, Proportional-Resonant controller). In three-phase AC network, a VQ control in Park’s frame is adopted: The DC bus voltage is controlled through the direct current and the reactive power injected into the grid is controlled through the quadrature current. Simulation results show that quasi-sinusoidal currents with a harmonic distortion rate less than 1% are obtained in both cases. Finally, we address the problem of sensorless control. In fact, the control of the SRM requires that the rotor position is known. A mechanical encoder is used generally to measure the position. The elimination of this position sensor would reduce the cost and packaging requirements of the drive. Three methods to estimate the rotor position are presented. The first one named inductance-method is an active as it is based on the pulse injection technique. The second one named flux-method is a passive one as it used the current measurement. The third one is based on the state observers for the flux, position, and velocity and load torque estimation. The simulations results have shown that the inductance-based method is efficient in low speed region and the flux-based one is more efficient in high-speed region. It is also shown that, observers are exponentially convergent even when a simple analytical modelling, that neglects saturation effect, is used to design the observer.

This thesis demonstrates a practical implementation of a sensorless permanent magnet synchronousmotor (PMSM) drive for vehicle propulsion. The main design parameters and overall properties of themotor drive are derived for the case of an on-board electric powertrain as a substitute to the lift shuttle indownhill (DH) mountain biking.The theory behind field oriented control (FOC) for sensorless PMSMs is analyzed in some detail.Controller-inverter hardware and software are designed and prototyped in accordance with the deriveddesign parameters. Initial tuning and testing in a test bench environment is described. The powertrain isfinally installed on a test bike and tested on an incline. It is found that the performance of the controllerinvertercomplies with the target design parameters.

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Die Dissertation stellt Regelverfahren für die Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer und die doppeltgespeiste Asynchronmaschine vor, die Torsionsschwingungen im Antriebsstrang über einen Eingriff am Luftspaltmoment dämpfen und ohne Sensoren für die Drehzahl, den Drehwinkel und das Drehmoment arbeiten. Alle für die Regelverfahren benötigten Zustandsgrößen der Asynchronmaschine und des mechanischen Systems werden mit Beobachtern aus den gemessenen Spannungs- und Stromkomponenten geschätzt. Die Qualität der geschätzten Zustandsgrößen wird mit Gütekriterien bewertet und kann als durchweg gut bezeichnet werden. Die Regelverfahren werden bei der praktischen Erprobung mit Gütekriterien bezüglich der stationären Genauigkeit und im dynamischen Betrieb bezüglich der Schädigung und der Dynamik untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass die vorgestellten Maßnahmen zur Torsionsschwingungsdämpfung die Schädigung deutlich reduzieren. Die Ergebnisse zeigen zudem, dass bei Verwendung geschätzter statt gemessener Zustandsgrößen für die Regelverfahren kaum Einbußen bezüglich der stationären Genauigkeit, der Dynamik und der Reduzierung der Schädigung entstehen. Für das Regelverfahren der doppeltgespeisten Asynchronmaschine wird simulativ nachgewiesen, dass dieses auch beim Netzspannungseinbruch stabil arbeitet.

La commande sans capteur mécanique de la machine synchrone à aimants permanents est un sujet largement répandu dont les plus grandes difficultés connues, quel que soit l’observateur utilisé, sont celui du démarrage à vitesse nulle et plus largement de la commande aux basses vitesses, et celui du rejet des fortes perturbations du couple. Afin d’y faire obstacle, diverses adaptations des algorithmes d’observateur ont été proposées afin d’améliorer le comportement de la machine en commande sans capteur. Par ailleurs, il est couramment admis que les déchets de tension produit par l’onduleur sont nuisibles à l’observation de la position, les tensions de référence étant légèrement différentes des tensions appliquées aux enroulements de la machine. Quelques propositions apparaissent dans certaines publications notamment en établissant un algorithme de compensation. C’est ainsi que les travaux de cette thèse portent sur cette thématique, celle d’améliorer la commande sans capteur dans les situations d’observabilité difficile en proposant une solution originale afin de faire correspondre au mieux les tensions appliquées à la machine et les tensions de référence utiles à l’observateur. Les résultats montrent que la solution proposée et largement analysée améliore considérablement le comportement de la machine en commande aux basses vitesses et en rejet de perturbation, tant en régime permanent qu’en régime transitoire ; une analyse de Fourier des courants mesurés atteste l’efficacité de la méthode et une analyse des grandeurs observées par la statistique descriptive met en lumière l’intérêt de l’algorithme. Nous montrons ainsi que la solution proposée permet d’observer la vitesse et la position en deçà de la vitesse mécanique de 15 rad/s alors que la commande est instable en deçà de 20 rad/s quand la solution n’est pas mise en œuvre. Un constat similaire apparaît en rejet de perturbation. D’autres résultats montrent que l’observation à plus basse vitesse est entachée d’une perturbation liée à un couple pulsatoire dont l’origine peut être le couple de détente, lequel n’est pas pris en compte par le modèle de la machine. / The sensorless control of the permanent magnet synchronous machine is a subject widely spread. Two great difficulties are known; (i) the start at nil initial speed and more generally the control at very low speed whatever the observer used and (ii) the high torque disturbance rejection. In order to hinder these difficulties numerous modifications of observer algorithms were proposed to improve the performances of the permanent magnet synchronous machine sensorless control. Moreover, we admit commonly that the drop voltages due to the inverter are prejudicial to the position estimated, because the difference between the voltage reference transmitted to the PWM (pulse width modulation) and the motor winding voltage is not negligible at low speed and low load torque. According to the literature, several papers propose some solutions by compensation algorithms and voltage estimator in particular. So, the goal of this thesis is to estimate the winding voltage and to apply the state observer by Extended Kalman Filtering to improve more finely the sensorless control. We propose an original solution to estimate the voltage references which is applied to the observer. Numerous experimental results show the attractive effects in marked contrast to the sensorless control results without estimation of the winding voltages. The results of sensorless control show that the solution proposed which widely analysed improves significantly the estimation errors of the motor running in low speed range and low torque disturbances range. Fourier analyses and statistic data obtained in steady state speed and results during the transient response indicate complementary results and highlight the interest of the estimation algorithm. Our study brings out that the estimation error reduction allows to running the motor at mechanical speed short of 15 rad/s. In the other hand, the system is instable with speed short of 20 rad/s if the voltage references are used by the observer rather than the estimation voltages. The same improvement appears in disturbance rejection. Other results show that the estimated position errors at lower speed increases in spite of the estimation algorithm. In fact, the torque disturbances are dominant at low speed, low load torque and are harmful to control the electromagnetic torque.

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.

Neste trabalho é apresentado um estudo sobre o controle de velocidade sensorless aplicado ao Motor de Indução Trifásico (MIT) visando sobretudo, melhorar o desempenho da máquina de indução em aplicações na região de baixa frequência de operação. Para tanto, propõe-se uma abordagem utilizando a técnica de controle Direct Torque Control (DTC) com Space Vector Modulation (SVM) em conjunto com o Observador de Fluxo com Modelo de Tensão e Corrente (OFMTC), o que possibilita a estimação precisa da posição do vetor de fluxo do estator em baixa velocidade. Para a estimativa da velocidade do rotor é utilizado a estratégia Model Reference Adaptive System (MRAS) com mecanismo de adaptação fuzzy, a fim de se diminuir a sensibilidade aos parâmetros da máquina. O desempenho da estratégia de controle de velocidade sensorless proposta é testada em simulações com diferentes condições de operação buscando reproduzir alguns dos problemas encontrados em aplicações práticas, utilizando o software Matlab. Os resultados obtidos foram condizentes com resultados encontrados na literatura, comprovando o bom desempenho do sistema de controle de velocidade proposto. / This work deals with the sensorless speed control for Three-phase Induction Motor in order to improve its operation at low speed and low frequency. At first, a Direct Torque Control employing Space Vector Pulse with Modulation (SVPWM) based on Flux Observer (voltage and current model) is studied and evaluated due to its high accuracy of estimating the stator-flux at low speed. The Model Adaptive Reference (MRAS) with Fuzzy Controler is chosen in order to estimate the rotor speed. This choice is based on its capability of high performance during Three-phase Induction Motor operation even if the machines parameters and the load change during the operation. At last, some simulations with diferent operational conditions at low speed are carried out in order to test the sensorless control. The results show a good perfomance and agreed with the results shown in recent papers.

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.

Este trabalho apresenta uma alternativa ao controle vetorial de motores de indução, sem a utilização de sensores para realimentação da velocidade mecânica do motor. Ao longo do tempo, diversas técnicas de controle vetorial têm sido propostas na literatura. Dentre elas está a técnica de controle por orientação de campo (FOC), muito utilizada na indústria e presente também neste trabalho. A principal desvantagem do FOC é a sua grande sensibilidade às variações paramétricas da máquina, as quais podem invalidar o modelo e as ações de controle. Nesse sentido, uma estimativa correta dos parâmetros da máquina, torna-se fundamental para o acionamento. Este trabalho propõe o desenvolvimento e implementação de um estimador baseado em um sistema de inferência neuro-fuzzy adaptativo (ANFIS) para o controle de velocidade do motor de indução trifásico em um acionamento sem sensores. Pelo fato do acionamento em malha fechada admitir diversas velocidades de regime estacionário para o motor, uma nova metodologia de treinamento por partição de frequência é proposta. Ainda, faz-se a validação do sistema utilizando a orientação de campo magnético no referencial de campo de entreferro da máquina. Simulações para avaliação do desempenho do estimador mediante o acionamento vetorial do motor foram realizadas utilizando o programa Matlab/Simulink. Para a validação prática do modelo, uma bancada de testes foi implementada; o acionamento do motor foi realizado por um inversor de frequência do tipo fonte de tensão (VSI) e o controle vetorial, incluindo o estimador neuro-fuzzy, foi realizado pelo pacote de tempo real do programa Matlab/Simulink, juntamente com uma placa de aquisição de dados da National Instruments. / This work presents an alternative sensorless vector control of induction motors. Several techniques for induction motor control have been proposed in the literature. Among these is the field oriented control (FOC), strongly used in industries and also in this work. The main drawback of the FOC technique is its sensibility to deviations of the parameters of the machine, which can deteriorate the control actions. Therefore, an accurate determination of the machines parameters is mandatory to the drive system. This work proposes the development of an adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) estimator to control the angular speed of a three-phase induction motor in a sensorless drive. In a closed loop configuration, several speed commands can be imposed to the motor. Thus, a new frequency partition training of ANFIS is proposed. Moreover, the ANFIS speed estimator is validated in a magnetizing flux oriented control scheme. Simulations to evaluate the performance of the estimator considering the vector drive system were done by the Matlab/Simulink. To determine the benefits of the proposed model a practical system was implemented using a voltage source inverter (VSI) and the vector control including the ANFIS estimator, carried out by the Real Time Toolbox from Matlab/Simulink and a data acquisition card from National Instruments.