Les avionneurs expriment le besoin de développement de l’avion plus « électrique ». Cela se traduit par des besoins nouveaux en matière de systèmes de motorisation électrique, en termes de puissance à fournir et de partage de ressources matérielles en vue de minimiser la masse embarquée et les coûts. Parmi les études en cours sur l’évolution des machines tournantes, un intérêt particulier porte sur le développement des alterno-démarreurs de type machines synchrones sans balais et à plusieurs étages (BSSG). Celles-ci sont susceptibles de fournir un fort couple lors des phases de démarrage des réacteurs auxquelles elles sont associées. Pour ce faire, la connaissance, à tout moment, de la position du rotor est essentielle. Cependant, l'ajout d’un capteur dédié impacte la conception de la machine, rajoutant du volume, du câblage et augmentant le coût. La réalisation d'une commande dite « sensorless » permettrait de s'affranchir de l'utilisation d'un tel capteur et de simplifier le design des alterno-démarreurs.A partir d'une modélisation fine de la machine, cette thèse étudie les conditions dans lesquelles une telle commande est réalisable et analyse plusieurs techniques permettant d'y parvenir. Une nouvelle méthode d'estimation de la position du rotor, spécifique aux BSSG est proposée, puis illustrée avec des résultats expérimentaux. Cette technique est basée sur le traitement des composantes harmoniques existantes naturellement au stator de la machine et permet l'estimation de la position à l'arrêt et à très basse vitesse. Afin d'étendre l'estimation sur toute la plage de vitesse, une étude d'estimation de position par un observateur d'état à base du modèle complet de la machine en considérant les harmonique injectés (ou existantes) dans les courants du stator est proposée. Cet observateur peut s’appliquer à la machine synchrone à trois étages mais aussi à toute machine synchrone. Dans cette étude, son fonctionnement est illustré sur une machine synchrone à aimants permanents. / The aircraft manufacturers express the need to develop a more "electric" aircraft. This brings forward new requirements for the electric drive systems in terms of increasing the available on-board power and resource sharing in order to optimize the overall mass and cost. Among the ongoing studies on the evolution of motor drives, a particular interest is given to the development of multi-level brushless synchronous starter/generators (BSSG). These drives are likely to provide the high torque required to start-up the reactors to which they are associated. For this purpose, the knowledge, at any time, of the rotor position is essential. However, adding a dedicated sensor impacts on the design of the machine, increasing volume, cabling needs and cost. For this purpose, investigating on “sensorless” control laws will permit to avoid using such a sensor and to simplify the design of the Starter/Generators.Using a fine modelling of the machine, this work studies the conditions of feasibility for sensorless control and analyzes several techniques for this purpose. A new method of estimation of the shaft-position, particular to the BSSG architecture is proposed and then illustrated with experimental results. This technique is based on the processing of the existing harmonic components naturally in the stator of the machine and allows the estimation of the position at standstill and the very low speed. To extend the estimation to the whole speed range, a study of position estimation using a state observer using the complete model of the machine considering the knowledge of the existing (or injected) harmonic components in the stator currents is proposed. This observer can be applied to the brushless synchronous starter/generator but also on generic synchronous machines. In this study, its performance is illustrated on a permanent magnet synchronous machine.

The importance of accurately controlling the speed and torque of Synchronous Machines (SMs) in industry, transportation, aerospace, to name a few, can not be overstated. The driving unit to control the machines are called Variable Speed Drives (VSDs) and they can be designed in many different ways. In this project, a speed sensorless drive using high-frequency square-wave voltage injection is implemented in a open-source Python software called Motulator, developed by Prof. Marko Hinkkanen at Aalto University. The drive is first tested on an already existing linear model of a Permament Magnet Synchronous Machine (PMSM). An equivalent model is built in Matlab/Simulink to benchmark the performance of the implementation in Python. The results suggest that the performance Motulator implementation is satisfactory when compared to the Simulink implementation. Next, a non-linear Synchronous Reluctance Machine (SynRM) is implemented, using data from Finite Element (FEM) simulations of the non-linear flux-current relation. By using the injection scheme (with some tweaks), the speed of the motor is accurately controlled, but a steady-state position error is observed at all operating points. The error is produced due to the cross-saturation effect and a compensation strategy is implemented in an attempt to remove this error. however without full success. / Det är av avgörande betydelse att kunna kontrollera varvtal och vridmomentet hos synkrona elektriska maskiner (SM) inom transport, flyg och rymd, för att nämna några tillämpningar. Drivsystem för att styra de elektriska maskinerna kallas för varvtalsreglerade drivsystem och kan konstrueras på många olika sätt. I det här projektet implementeras ett varvtalsreglerat drivsystem, utan sensor för mätning av varvtalet. Varvtalsestimeringen bygger på att en fyrkantsvåg med hög frekvens injiceras varur det är möjligt att estimera hastigheten. Implementering görs i Python i en open-source programvara kallad Motulator, utvecklad av professor Marko Hinkkanen från Aaltouniversitetet. Regleringen testas först på en redan existerande linjär modell av en permanentmagnetiserad motor. Som jämförelse utvecklas även en motsvarande implementering av regleralgoritm och motor i Matlab/Simulink. Resultaten visar att Motulatorimplementeringen fungerar väl och att simuleringarna stämmer väl överens med Matlab/Simulink-modellen. I nästa steg implementeras en icke-linjär modell av en synkron reluktansmaskin. Det icke-linjära förhållande mellan flöde och ström modelleras med hjälp av data från finita elementsimuleringar (FEM). Simuleringar i Motulator visar att varvtalet i denna motormodell kan kontrolleras för alla olika laster och varvtal. Däremot noteras ett stationärt rotorpositionsfel vid vissa driftpunkter. Felet beror på mättningen av statorinduktansen och en algoritm implementerats för att kompensera effekten av mättningen och därmed eliminera felet. Det visar sig dock att kompenseringsalgoritmen endast fungerar vid vissa driftpunkter.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / This thesis focuses on optimization of wind power tracking control systems in order to capture maximum wind power for the generation system. In this work, a mathematical simulation model is developed for a variable speed wind turbine power generation system. The system consists a wind turbine with necessary transmission system, and a permanent magnet synchronous generator and its vector control system. A new fuzzy based hill climbing method for power tracking control is proposed and implemented to optimize the wind power for the system under various conditions. Two existing power tracking control methods, the tip speed ratio (TSR) control method and the speed sensorless control method are also implemented with the wind power system. The computer simulations with a 5 KW wind power generation system are performed. The results from the proposed control method are compared with those obtained using the two existing methods. It is illustrated that the proposed method generally outperforms the two existing methods, especially when the operating point is far away from the maximum point. The proposed control method also has similar stable characteristic when the operating point is close to the peak point in comparison with the existing methods. The proposed fuzzy control method is computationally efficient and can be easily implemented in real-time.

Energy efficiency in electric machines is both environmentally and economically important. Water pumps with an integrated Variable Frequency Drive (VFD) and a Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) have challenged the status quo of the Induction Machine (IM) for water pumps. The Synchronous Reluctance Machine (SynRM) is also a viable alternative that does not use permanent magnets. This degree project focuses on the control of SynRM, with particular attention on sensorless control methods. Simulation models for a SynRM and a Surface Permanent Magnet Synchronous Machine (SPMSM), together with their control systems, were developed in MATLAB Simulink. Two sensorless control methods were implemented and examined: the Luenberger state observer and the Model Reference Adaptive System (MRAS). The control system was adapted to use sensorless control methods. The investigated sensorless control methods allowed the application of the speed-torque test profile for two method and motor type combinations, without causing instability. The Luenberger observer was stable with the SPMSM and the MRAS with the SynRM. Parameter sensitivity with respect to the variation of inductance and stator resistance values used by the sensorless methods was also tested. The Luenberger observer kept the control system stable with up to a ±5 % variation of inductance. The MRAS kept the control system stable down to −12 %, but only up to +2 % for an overestimation of the inductance. The variation of stator resistance had a limited impact on the stability of both sensorless schemes. / Energieffektivisering av elektriska maskiner är betydelsefullt både ur ett miljömässigt och ekonomiskt perspektiv. Vattenpumpar med en synkron permanentmagnetsmaskin och en integrerad enhet för variabel hastighetsreglering (VFD) utmanar den mer konventionella lösningen baserad på en asynkronmaskin (IM). Den synkrona reluktansmaskinen (SynRM) är ett annat lämpligt alternativ som inte använder permanentmagneter. Det här examensarbetet behandlar huvudsakligen sensorlös reglering av SynRM. Simuleringsmodeller för reglering av en SynRM och en permanentmagnetiserad synkronmaskin med ytmonterade magneter (SPMSM) utvecklades i MATLAB Simulink. Två metoder för sensorlös reglering undersöktes, en på Luenbergers tillståndsobservatör och en baserad på adaptiv modellreferensreglering (MRAS). Systemet för reglering anpassades till metoderna för sensorlös reglering. De undersökta sensorlösa metoderna testades vid nominell hastighet med steg i vridmoment och hastighet. Luenberger observatören kunde köras med bibehållen stabilitet med en SPMSM och MRAS kördes med en SynRM, också den med bibehållen stabilitet. Även känsligheten för variationer i induktans och statorresistans för de sensorlösa reglermetoderna testades. Luenberger observatören kunde bibehålla stabiliteten med en variation i induktans på ±5 %. MRAS kunde bibehålla stabiliteten ner till en estimering av induktansen på −12 % av induktansen. På uppsidan nådde dock MRAS stabilitet endast upp till en överestimering av induktansen på 2 %. Felestimering av statorresistansen hade minimal påverkan på stabiliteten för båda sensorlösa reglermetoderna.

In More Electric Aircraft, different power system activities are attributed to electrical means such as the start-up of the main engine. In this context, the study of the sensorless control of the Brushless Synchronous Starter Generator (BSSG) that is used to electrically start the main engine is revealed to be a very interesting issue. For long time, the elimination of the mechanical sensor was highly recommended for reliability, cost, weight, integration issues.Hence, this work aims to transpose the results obtained in the research area to an avionic testbench. It presents an adaptive sensorless technique to use when electrically starting the main engine of the aircraft. This is achieved by elaborating three different methods selected depending on the speed of the machine and based on the :- injection of a high frequency signal- use of the back-emf of the Permanent Magnet Generator (PMG)- use of the extended Kalman Filter EKFIn this work, it is shown that the …first method gives good position estimation results from standstill up to 8% of the rated speed. Then, the back-emfs of the PMG are used to detect the position of the BSSG when the speed exceeds the 8% of the rated speed. Good results are observed with this method at medium and high speed.For redundancy reasons, the EKF was also used in this work. Thus, the estimated position can be delivered via two different estimation algorithms in medium and high speed region.The implementation of the algorithm was achieved on an FPGA board since the latter can ensure a very tiny execution time. The fastness of the treatment ensures quasi-instantaneous position estimation and does not practically introduce any phase lag in the position estimation. / Aujourd'hui, l'aviation est en train de vivre des évolutions technologiques concernant surtout l'attribution de différentes fonctionnalités aux équipements électriques et ceci au détriment d'équipements hydrauliques et mécaniques assurant les mêmes fonctionnalités.Dans le cadre de l'avion plus électrique, le démarrage électrique sans capteurs mécaniques de la turbine de l'avion préoccupe les avionneurs de nos jours. Les problèmes introduits par ce capteur ont été identifiés : problèmes de coût et de poids, problèmes de fiabilité et d'intégration.Ce travail présente alors une commande sans capteurs pour la machine synchrone à trois étages à utiliser durant le démarrage électrique de l'avion. Ceci est réalisé avec trois méthodes de détection de la position selon la vitesse de rotation, basées sur :- l'injection d'un signal à haute fréquence- l'utilisation d'un filtre de Kalman étendu FKE- les fém. du PMG (Permanent Magnet Generator) La première méthode donne de bons résultats d'estimation depuis l'arrêt jusqu'à 8% de la vitesse nominale de la machine. Au-delà de cette vitesse, es valeurs des fém. du PMG deviennent assez élevées pour être utilisées dans l'estimation de la position. De bons résultats sont obtenus à moyenne et haute vitesse.Pour des questions de redondance, le FKE est aussi utilisé. Ainsi, la position estimée peut être fournie par l'un des deux algorithmes à moyenne et haute vitesse.L'implémentation de ces algorithmes est réalisée via une carte FPGA étant donné que celui-ci garantit un temps d'exécution. La rapidité de traitement garantit une estimation de la position quasi-instantanée et donc n'introduit pratiquement pas des retards dans l'estimation.

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.

<p>У тези су предложена два унапређена алгоритма управљања<br />асинхроним мотором у условима када је број сензора који се користи у<br />погону минималан. Број сензора који се користи у повратној спрези<br />управљачког алгоритма сведен је на само један струјни сензор који<br />мери струју једносмерног међукола погонског инвертора. Предложене<br />методе елиминишу карактеристично изобличење реконструисаних<br />фазних струја и постижу бољи квалитет и перформансе управљања у<br />односу на конвенционалну методу. Сва аналитичка разматрања у тези<br />су праћена одговарајућим експерименталним резултатима, који<br />потврђују ефикасност предложених метода управљања.</p> / <p>U tezi su predložena dva unapređena algoritma upravljanja<br />asinhronim motorom u uslovima kada je broj senzora koji se koristi u<br />pogonu minimalan. Broj senzora koji se koristi u povratnoj sprezi<br />upravljačkog algoritma sveden je na samo jedan strujni senzor koji<br />meri struju jednosmernog međukola pogonskog invertora. Predložene<br />metode eliminišu karakteristično izobličenje rekonstruisanih<br />faznih struja i postižu bolji kvalitet i performanse upravljanja u<br />odnosu na konvencionalnu metodu. Sva analitička razmatranja u tezi<br />su praćena odgovarajućim eksperimentalnim rezultatima, koji<br />potvrđuju efikasnost predloženih metoda upravljanja.</p> / <p>This thesis proposes two improved and robust induction motor drive control<br />methods, in the case when there is a minimal number of sensors for<br />providing feedback signals. Number of used sensors is reduced to only one<br />current sensor measuring the inverter dc-link current. Proposed methods<br />cancels offset jitter-like waveform distortion present in the reconstructed<br />motor phase currents, and achieves higher quality and drive performance<br />regard to conventional current reconstruction mechanism. Effectivness of the<br />proposed methods are verified on developed HIL (hardware-in-the-loop)<br />platform and laboratory induction motor drive prototype.</p>

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.