Commande vectorielle d'un moteur asynchrone sans capteur de vitesse PDF Download
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Book Description
DANS CE TRAVAIL, L'AUTEUR PRESENTE UNE COMMANDE VECTORIELLE DESTINEE A UN VARIATEUR DE VITESSE D'UNE MACHINE ASYNCHRONE. LES CONTRAINTES DES APPLICATIONS INDUSTRIELLES NECESSITENT LA SUPPRESSION D'UN CAPTEUR MECANIQUE DE VITESSE OU DE POSITION. DANS CETTE LOGIQUE, UN ALGORITHME DE CONTROLE UTILISANT L'ESTIMATION DE LA VITESSE EST DEVELOPPE. LA MESURE DES COURANTS ET DES TENSIONS AUX BORNES DE LA MACHINE ASYNCHRONE SERT A LA RECONSTITUTION DE CETTE GRANDEUR MECANIQUE. LA PRIORITE POUR L'ELABORATION DE LA LOI DE COMMANDE A ETE SA SIMPLICITE. LES EQUATIONS ELECTRIQUES SONT LES SEULES UTILISEES POUR L'ESTIMATION DES GRANDEURS DE CONTROLE (FLUX, COUPLE, ET VITESSE). LA REGULATION DES COURANTS FOURNIS PAR UN ONDULEUR DE TENSION A M.L.I. PERMET UNE REDUCTION A 2 DE L'ORDRE DU MODELE DE LA MACHINE. CE MODELE EST CARACTERISE PAR UN FORT COUPLAGE ENTRE LES COMPOSANTES DE FLUX ET LA VITESSE. UN OBSERVATEUR D'ORDRE REDUIT, ETABLI SUR UN MODELE VOISIN DE LUENBERGER, ASSURE LA CONNAISSANCE DES COMPOSANTES DU FLUX ROTORIQUE DANS UN REPERE FIXE LIE AU STATOR. LA VITESSE EST ESTIMEE A PARTIR DE CES COMPOSANTES DE FLUX ET DES COMPOSANTES DU COURANT STATORIQUE. CES ESTIMATIONS SONT UTILISEES POUR LE CONTROLE EN CHAMP ORIENTE DIRECT. L'ENSEMBLE DU CONTROLE EST ANALYSE PAR SIMULATION. DEUX MAQUETTES EXPERIMENTALES SONT REALISEES, DANS LESQUELLES L'ALGORITHME EST IMPLANTE SUR UN PROCESSEUR RAPIDE DSP A STRUCTURE RISC. LES RESULTATS EXPERIMENTAUX OBTENUS A DIVERS POINTS DE FONCTIONNEMENT CONFIRMENT UN COMPORTEMENT SATISFAISANT DE L'ENSEMBLE DE L'ENTRAINEMENT. CEPENDANT, CETTE ETUDE A MIS EN EVIDENCE LE ROLE CRITIQUE DES MESURES DE TENSION UTILISEES DANS L'OBSERVATEUR D'ORDRE REDUIT
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DANS CE TRAVAIL, L'AUTEUR PRESENTE UNE COMMANDE VECTORIELLE DESTINEE A UN VARIATEUR DE VITESSE D'UNE MACHINE ASYNCHRONE. LES CONTRAINTES DES APPLICATIONS INDUSTRIELLES NECESSITENT LA SUPPRESSION D'UN CAPTEUR MECANIQUE DE VITESSE OU DE POSITION. DANS CETTE LOGIQUE, UN ALGORITHME DE CONTROLE UTILISANT L'ESTIMATION DE LA VITESSE EST DEVELOPPE. LA MESURE DES COURANTS ET DES TENSIONS AUX BORNES DE LA MACHINE ASYNCHRONE SERT A LA RECONSTITUTION DE CETTE GRANDEUR MECANIQUE. LA PRIORITE POUR L'ELABORATION DE LA LOI DE COMMANDE A ETE SA SIMPLICITE. LES EQUATIONS ELECTRIQUES SONT LES SEULES UTILISEES POUR L'ESTIMATION DES GRANDEURS DE CONTROLE (FLUX, COUPLE, ET VITESSE). LA REGULATION DES COURANTS FOURNIS PAR UN ONDULEUR DE TENSION A M.L.I. PERMET UNE REDUCTION A 2 DE L'ORDRE DU MODELE DE LA MACHINE. CE MODELE EST CARACTERISE PAR UN FORT COUPLAGE ENTRE LES COMPOSANTES DE FLUX ET LA VITESSE. UN OBSERVATEUR D'ORDRE REDUIT, ETABLI SUR UN MODELE VOISIN DE LUENBERGER, ASSURE LA CONNAISSANCE DES COMPOSANTES DU FLUX ROTORIQUE DANS UN REPERE FIXE LIE AU STATOR. LA VITESSE EST ESTIMEE A PARTIR DE CES COMPOSANTES DE FLUX ET DES COMPOSANTES DU COURANT STATORIQUE. CES ESTIMATIONS SONT UTILISEES POUR LE CONTROLE EN CHAMP ORIENTE DIRECT. L'ENSEMBLE DU CONTROLE EST ANALYSE PAR SIMULATION. DEUX MAQUETTES EXPERIMENTALES SONT REALISEES, DANS LESQUELLES L'ALGORITHME EST IMPLANTE SUR UN PROCESSEUR RAPIDE DSP A STRUCTURE RISC. LES RESULTATS EXPERIMENTAUX OBTENUS A DIVERS POINTS DE FONCTIONNEMENT CONFIRMENT UN COMPORTEMENT SATISFAISANT DE L'ENSEMBLE DE L'ENTRAINEMENT. CEPENDANT, CETTE ETUDE A MIS EN EVIDENCE LE ROLE CRITIQUE DES MESURES DE TENSION UTILISEES DANS L'OBSERVATEUR D'ORDRE REDUIT
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Ce travail de recherche traite de l'estimation de la vitesse et de la commande de la machine asynchrone sans l'utilisation d'un capteur mécanique de vitesse, particulièrement quand la machine fonctionne à basse vitesse et à l'arrêt. Après une présentation de toutes les méthodes d'estimation de vitesse de la machine asynchrone existant dans la littérature, nous choisissons celle basée sur l'injection d'un signal à haute fréquence dans une machine présentant des saillances. L'origine de ces saillances et les composantes de courant résultant de l'injection du signal à haute fréquence ont été étudiées dans différents référentiels. La partie traitement du signal est abordée. Cette partie détaille les étapes indispensables à l'extraction de la position et de la vitesse de la machine. Nous étudions différents systèmes de filtrage, une analyse par DFT glissante et l'estimation de vitesse à l'aide d'une boucle à verrouillage de phase. Enfin, la faisabilité d'un système de commande vectorielle sans capteur est examinée. Des résultats de simulation et expérimentaux sont présentés tout au long de ces travaux pour valider les études théoriques.
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Le problème de la commande de machine asynchrone sans capteur mécanique de vitesse est très étudié dans les domaines de l'automatique et de l'électrotechnique. Ce travail porte sur la faisabilité de ce type de commande sur l'ensemble de la plage de vitesse et pour tout type de machine asynchrone afin d'être utilisée en traction ferroviaire. Une étude poussée de l'observabilité permet de définir une mesure quantitative continue de l'observabilité de la vitesse de la machine, appelée index d'observabilité. La synthèse d'un observateur confirme ainsi la correspondance entre les zones de faible index d'observabilité et celles où l'observation est de mauvaise qualité. L'index d'observabilité défini dans cette thèse permet donc de prédire les performances d'observation d'un système. L'originalité principale des travaux présentés tient dans l'utilisation de cet index d'observabilité dans la commande de la machine asynchrone sans capteur mécanique de vitesse. En tirant profit du degré de liberté qu'offre la variation d'amplitude du flux, nous proposons de garantir un index d'observabilité au-dessus d'un seuil tout en respectant les autres contraintes de la commande. L'observation de la vitesse devient alors précise sur toute la plage de vitesse, et un fonctionnement long est possible en tout point sans perturber le couple réalisé. Des expérimentations sur simulateur numérique viennent confirmer ces résultats, y compris lors de phases de patinage. L'observation des paramètres électriques est également étudiée afin de garantir la précision de l'observation de vitesse. Pour cela, la sensibilité de l'observation de vitesse aux variations de paramètres électriques et l'observabilité de ces paramètres sont étudiées, permettant de définir une nouvelle stratégie d'observation des paramètres électriques. Des essais sur banc de puissance, puis en application réelle sur un train régional, valident les performances de la commande sans capteur de vitesse proposée sur toute la plage de vitesse, et son adéquation aux contraintes d'une application ferroviaire.
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Ce travail s'inscrit principalement dans le domaine de l'observation et de la commande non linéaires pour la machine asynchrone sans capteur mécanique. La première partie est dédiée aux problèmes d'observabilité auxquels la machine asynchrone est confrontée. Nous avons établi que la machine asynchrone est inobservable lorsqu'elle fonctionne à très basse vitesse sans capteur mécanique. Dans cet objectif, deux benchmarks sont définis : "Benchmark Observateur sans capteur mécanique" et "Benchmark Commande sans capteur mécanique". Ces deux benchmarks permettent respectivement de tester les observateurs et les commandes de la machine asynchrone sans capteur mécanique sur des trajectoires difficiles liées notamment aux problèmes d'observabilité de cet actionneur à très basse vitesse. Dans une deuxième partie, la synthèse d'observateurs non linéaires (capteur logiciels) pour la machine asynchrone sans capteur mécanique est abordée. Ces observateurs permettent de remplacer l'information donnée par les capteur physiques en utilisant comme seules mesures les grandeurs électriques. La dernière partie est consacrée à la conception d'une loi de commande non linéaire pour la machine asynchrone. Cette loi de commande est associée à un observateur de vitesse pour réaliser une commande sans capteur mécanique de la machine asynchrone. Les différents observateurs ainsi que la loi de commande ont été testés et validés expérimentalement au moyen des deux benchmarks sur la plate-forme d'essai de machines électriques située à l'IRCCyN.
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La connaissance du comportement transitoire de la machine asynchrone est souvent nécessaire pour déterminer la performance globale de l'ensemble du système, auquel la machine appartient. L'approche proposée dans ce livre consiste à introduire deux phénomènes magnétiques à savoir: la saturation et les pertes fer. Après avoir analysé le comportement dynamique de la machine, différentes lois de commande vectorielle ont été étudiées. Elles ont pour objectif d'éliminer les couplages électriques apparaissant dans le système provoqués par la saturation et les pertes fer et d'obtenir de meilleures performances. L'élimination du capteur mécanique dans une commande vectorielle a été analysée. Un modèle de type MRAS pour l'estimation de la vitesse a été développé de telle sorte que la saturation et les pertes fer soient compensées particulièrement en fonctionnement en mode défluxé. Ensuite, cet estimateur est substitué par un autre insensible aux variations paramétriques et basé sur l'intelligence artificielle. L'implantation de ces méthodes et la validité des modèles ont été testées sur un dispositif expérimental, muni d'une carte de commande dSPACE de type DS1104.
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Durant ce travail des lois de commande sans capteur mécanique de la machine asynchrone ont été élaborées et validées expérimentalement sur un benchmark industriel. L'étude de l'observabilité montre que la machine asynchrone est inobservable à très basse vitesse lorsque la mesure de la vitesse n'est disponible. D'une part un observateur interconnecté a été conçu pour reconstruire les variables mécaniques (vitesse, couple de charge) et les variables magnétiques (flux). D'autre part un observateur adaptatif interconnecté a été synthétisé pour estimer en plus des variables mécaniques et magnétiques, la résistance statorique. La conception de commandes non linéaires pour la machine asynchrone constitue la contribution majeure de nos travaux en démontrant la stabilité globale de l'ensemble "Commande+Observateur" et avec validation expérimentale sur le benchmark industriel. Plusieurs lois de commande ont été conçues et comparées: type PI avec termes non linéaires, types modes glissants d'ordre un, puis d'ordre supérieur et enfin une loi de type backstepping. Les résultats ont été comparés positivement à ceux d'un variateur industriel sur le benchmark.
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L'OBJET DE CE TRAVAIL CONSISTE A METTRE EN UVRE UN ESTIMATEUR DE VITESSE POUR UNE MACHINE ASYNCHRONE ALIMENTEE PAR UN VARIATEUR DE VITESSE INDUSTRIEL. CETTE ESTIMATION PASSE PAR LE CALCUL DU GLISSEMENT EFFECTUE A PARTIR DE MESURES DE COURANTS ET DE TENSIONS. DE PLUS, CE CALCUL FAISANT INTERVENIR LES PARAMETRES DE LA MACHINE ET PARTICULIEREMENT LA RESISTANCE ROTORIQUE, METHODE DE COMPENSATION DES VARIATIONS DE CE PARAMETRE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE EST PROPOSEE. LES RESULTATS DE CETTE ETUDE THEORIQUE SERONT ANALYSES GRACE A UN PROGRAMME DE SIMULATION NUMERIQUE DEVELOPPE POUR CE TRAVAIL. CE LOGICIEL EST BASE SUR UNE NOUVELLE METHODOLOGIE DE PROGRAMMATION, OU L'ON DEVELOPPE LES NOTIONS DE DECOUPAGE DE L'ENSEMBLE A SIMULER EN SOUS-SYSTEMES FONCTIONNELS, UNE GESTION DES TACHES EN PARALLELE ET L'ECRITURE SYSTEMATIQUE DES PROGRAMMES. ENFIN, LA DERNIERE PARTIE DE CE TRAVAIL CORRESPOND A LA REALISATION D'UNE MAQUETTE NUMERIQUE RELIEE AU VARIATEUR DE VITESSE ET REALISANT L'ESTIMATION DE VITESSE A PARTIR DES MESURES DE DEUX COURANTS MOTEUR. LES RESULTATS OBTENUS ONT PERMIS D'ANALYSER LES PERFORMANCES DE CET ESTIMATEUR, EN REGIME PERMANENT ET EN REGIME TRANSITOIRE
Author: Thierry Ourth
Author: Thierry Ourth
Author: Imad Al-Rouh
Author: Gaëtan Lefebvre
Author: Jogendra Singh Thongam
Author: Malek Ghanes
Author: Samir Moulahoum
Author: Claude Chaigne
Author: Dramane Traore
Author: Jean Luc Bach
Author: Alain Sague