Mémoire CNAM Electrotechnique - Moteur FINTRONIC - Patrick BOIDIN

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CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS CENTRE REGIONAL ASSOCIE D'AIX EN PROVENCE MEMOIRE Présenté en vue d'obtenir le DIPLOME D'INGENIEUR C.N.A.M. en ELECTROTECHNIQUE par Patrick BOIDIN MODELISATION D'UN PROTOTYPE ET COMMANDE VECTORIELLE AVEC ET SANS CAPTEUR MECANIQUE DU MOTEUR COUPLE Soutenu le Avril 1996 JURY PRESIDENT : RIALLAND J.F. MEMBRES : LUCAS F. BOUSSAK M. CREMET G. FINIDORI Ch. GAUTIER A. GRAS Ph. HUGUES CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS CENTRE REGIONAL ASSOCIE D'AIX EN PROVENCE MEMOIRE Présenté en vue d'obtenir le DIPLOME D'INGENIEUR C.N.A.M. en ELECTROTECHNIQUE par Patrick BOIDIN MODELISATION D'UN PROTOTYPE ET COMMANDE VECTORIELLE AVEC ET SANS CAPTEUR MECANIQUE DU MOTEUR COUPLE Les travaux relatifs au présent mémoire ont été effectués au laboratoire d'électrotechnique, d'électronique de puissance et systèmes EEPS de l'Ecole Supérieure d'Ingénieurs de Marseille (ESIM). Les études et les travaux ont été suivis par Monsieur M. BOUSSAK, ingénieur enseignant chercheur à l'ESIM et Monsieur Ch. FINIDORI, ancien responsable du département EEPS à l'ESIM sous la direction de Monsieur F. LUCAS, professeur principal du Conservatoire National des Arts et Métiers d'Aix en Provence. Modèlisation d'un prototype et commande vectorielle avec et sans capteur mécanique du moteur couple.
Publié le : mardi 21 mai 2013
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CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS

CENTRE REGIONAL ASSOCIE D'AIX EN PROVENCE


MEMOIRE


Présenté en vue d'obtenir

le DIPLOME D'INGENIEUR C.N.A.M.

en

ELECTROTECHNIQUE

par

Patrick BOIDIN


MODELISATION D'UN PROTOTYPE
ET
COMMANDE VECTORIELLE AVEC ET SANS CAPTEUR
MECANIQUE DU MOTEUR COUPLE



Soutenu le Avril 1996

JURY

PRESIDENT : RIALLAND J.F.

MEMBRES : LUCAS F.

BOUSSAK M. CREMET G. FINIDORI Ch. GAUTIER A.
GRAS Ph. HUGUES
CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS

CENTRE REGIONAL ASSOCIE D'AIX EN PROVENCE



MEMOIRE


Présenté en vue d'obtenir

le DIPLOME D'INGENIEUR C.N.A.M.

en

ELECTROTECHNIQUE

par

Patrick BOIDIN



MODELISATION D'UN PROTOTYPE
ET
COMMANDE VECTORIELLE AVEC ET SANS CAPTEUR
MECANIQUE DU MOTEUR COUPLE





Les travaux relatifs au présent mémoire ont été effectués au laboratoire d'électrotechnique,
d'électronique de puissance et systèmes EEPS de l'Ecole Supérieure d'Ingénieurs de Marseille
(ESIM).
Les études et les travaux ont été suivis par
Monsieur M. BOUSSAK, ingénieur enseignant chercheur à l'ESIM
et
Monsieur Ch. FINIDORI, ancien responsable du département EEPS à l'ESIM
sous la direction de
Monsieur F. LUCAS, professeur principal du Conservatoire National des Arts et Métiers d'Aix
en Provence.
Modèlisation d'un prototype et commande vectorielle avec
et sans capteur mécanique du moteur couple.

Mémoire d'ingénieur CNAM, Aix en Provence 1996.

RESUME :
De nos jours, les moteurs "couples" et plus particulièrement les moteurs cylindriques à
polyentrefer concentrique (moteur de roue), sont reconnus comme étant des moteurs
performants. Néanmoins, ce type de moteur a besoin d'être amélioré afin de le rendre plus
compétitif dans un marché européen de plus en plus exigeant dans les domaines de la traction
électrique et de la robotique. C'est pourquoi, la société GEC-ALSTHOM MOTEURS
NANCY, spécialisée dans la fabrication de moteurs électriques, a conçu un prototype d'une
nouvelle génération de moteurs "couples" discoïdes à réluctance variable et à aimants
permanents alternés. Ce moteur est capable de fournir un couple massique très important aux
basses vitesses : 5 à 15 N.m/kg pour 60 tr/min (300 N.m à 60 tr/min). Or, la structure
modulaire de ce type de moteur, permet d'obtenir des machines de constitution polydiscoïde,
bien plus performantes. Un second prototype, pouvant fournir cette fois ci 6900 N.m à 52
tr/min, a d'ailleurs pris naissance dans les ateliers de GEC-ALSTHOM MOTEURS.
Pour exploiter les performances de cette nouvelle génération de moteurs, nous avons élaboré,
sur la base du premier prototype cité, une théorie de commande électronique de type
vectorielle capable de piloter et de commander le moteur. Cette étude est réalisée en tenant
compte des critères de simplicité, d'efficacité et de robustesse de la commande.

Les difficultés rencontrées pour imposer un capteur mécanique standard au prototype et les
inconvénients de ce capteur en matière de coût et de fiabilité, nous ont motivés à élaborer une
commande sans capteur mécanique. Pour cela, on utilise un reconstructeur d'état du type
FILTRE DE KALMAN.

L'étude de la commande du prototype, réalisée dans ce présent mémoire, est restée théorique.
Les résultats ont été vérifiés uniquement par des simulations sous MATLAB-SIMULINK.
Néanmoins, nous avons apporté quelques recommandations sur l'amélioration du prototype à
partir des essais expérimentaux et des observations physiques du moteur. De plus, à la fin de
ce travail, nous avons défini succinctement les moyens matériels permettant de tester
expérimentalement la commande élaborée.


Mots-clés : Moteur discoïde - Réluctance variable - Aimants alternés - Commande
vectorielle - Park - Modèlisation de moteur synchrone - Filtre de Kalman -
Simulateur Matlab.

Keywords : Discoid motor - Variable reluctance - Alternated permanent magnet - Vector
control drive - Synchronous motor modelisation - Kalman filter - Matlab
simulator.
REMERCIEMENTS

Je tiens à exprimer mes vifs remerciements à tous les professeurs et enseignants du Conservatoire
National des Arts et Métiers pour leur dévouement à enseigner à ceux qui, comme moi, veulent
poursuivre leurs études et améliorer leurs connaissances théoriques.

J'adresse mes respectueux et sincères remerciements à Monsieur F. LUCAS pour m'avoir intéressé
par la qualité de ses enseignements, m'avoir guidé tout au long de ces études depuis le cycle A et
m'avoir redonner courage au moment où il le fallait.
Je remercie aussi Monsieur Ph. GRAS, ingénieur-enseignant au CNAM, pour sa patience à nous
enseigner les travaux pratiques que j'ai suivis pendant 3 années, pour sa gentillesse et pour l'aide
qu'il a su nous apporter bien au-delà de son travail.

Merci à Monsieur MATHON, gérant-directeur de la société HEURTEY INDUSTRIES
PROVENCE où je travaille et à Monsieur DEPLACE, mon chef de service, d'avoir accordé mon
congé formation et d'avoir supporté mon absence durant cette année de mémoire.

FINIDORI, ancien responsable du Département Electrotechnique-Je remercie vivement Monsieur
Electronique de Puissance et Systèmes associés, de m'avoir accueilli au sein de son équipe et de
m'avoir fait confiance en m'accordant ce sujet de mémoire. Mes remerciements vont aussi vers
Messieurs Ph. ZANIN et L.ROSS respectivement directeur et directeur adjoint de l'Ecole
Supèrieure d'Ingénieurs de Marseille qui m'ont accepté et fait profité des moyens matériels de
l'école.
Je remercie Monsieur BOUSSAK de l'aide et de toute la patience qu'il a su m'accordé dans
l'encadrement de ce travail et je remercie aussi toute l'équipe des enseignants et des techniciens de
l'ESIM qui m'ont aidés dans ma tâche et soutenus avec toute la gentillesse qu'il fallait ; Madame
S.BANGUET, Monsieur Y.SERVET, Monsieur J.LEGELEUX, Monsieur Ch.YVE,
Madame A.CARLIN, Monsieur B.DHALLUIN, Monsieur N.DIGRAZIA, Monsieur R.
CHEVEAUX et Monsieur J.M.LI.
Toute ma sympathie et une part de mes remerciements vont vers Monsieur CREMET, Responsable
du Service Recherche et Développement de GEC-ALSTHOM MOTEURS Nancy, qui a su
m'encourager dans ma tâche et surtout su me transmettre, sans aucune retenue de sa part, les
quelques "ficelles de la technique".Ses conseils m'ont démontré la haute compétence de la personne.

Merci à Monsieur Ph.FONTANA pour m'avoir écouté et conseillé avec toutes les qualités de
solidarité et de compétence que peut avoir un Cnamien comme lui.

Pour finir, mes remerciements vont à ma femme Josiane qui m'a soutenu durant ces neuf années
d'études au CNAM et à mon fils Mickaël.
Table des matière – Mémoire CNAM Patrick BOIDIN.
TABLE DES MATIERES

Page
INTRODUCTION GENERALE
1
CHAPITRE 1 : 3
PRESENTATION ET MODELISATION DU
PROTOTYPE

1 INTRODUCTION. 5

2 PRESENTATION DU PROTOTYPE. 5
2.1 Les machines à réluctance variable, cylindrique (MRV cylindrique) : 5
2.2 achines à réluctance variable polydiscoïdes : 6
2.3 Les machines à réluctance variable polydiscoïdes et à aimants 6
permanents :
2.4 Constitution du moteur FINTRONIC : 7

3 MODELISATION DU PROTOTYPE. 13
3.1 Conventions et hypothèses : 14
3.2 Mise en équations du moteur à l'étude dans le repère (a , b , c ) : 15 s s s
3.3 Problèmes liés à la résolution des équations dans le repère (a , b , c ) : 18 s s s
3.4 Equations mécaniques : 19
3.5 Modèle du moteur dans le référentiel de PARK : 20
3.6 Remarques sur la transformation de Park et du système résultant : 25

4 CONCLUSION 27

CHAPITRE 2 : 28
ESSAIS ET VALIDATION DU MODELE

1 INTRODUCTION. 29

2 DETERMINATION NUMERIQUE DES ELEMENTS DU 29
MODELE.
2.1 Essai à vide du moteur en fonctionnement générateur : 29
2.2 Essai avec les enroulements statoriques en court-circuit : 32
2.3 oteur FINTRONIC en fonctionnement moteur : 34
2.4 Essai de ralentissement du moteur fonctionnant à vide : 35
2.5 Essai d'échauffement du moteur FINTRONIC : 38
2.6 Paramètres du modèle : 39

3 ESSAIS EN CHARGE EN FONCTIONNEMENT MOTEUR. 40
3.1 Remarques sur les essais en charges : 41
3.2 Résultats obtenus pour U =340volts et T =138N.m : 43 ab u
Table des matière – Mémoire CNAM Patrick BOIDIN.
4 SIMULATIONS EN BOUCLE OUVERTE ET VALIDATION 44
DU MODELE.
4.1 Modèle mathématique du moteur et valeur numérique des paramétres : 44
4.2 Simulations en boucle ouverte : 46
4.3 Validation du modèle : 51

5 CONCLUSION. 51

CHAPITRE 3 : 53
COMMANDE VECTORIELLE AVEC CAPTEUR
MECANIQUE

1 OBJET. 54

2 PREAMBULE. 54
2.1 Le moteur synchrone : 54
2.2 Commande du moteur FINTRONIC, en courant ou en tension ? : 54
2.3 Principe de la commande en tension et de l'autopilotage du moteur : 55
2.4 Contrôle par la tension du couple électromagnétique : 56

3 MODELE D'ETAT DU MOTEUR ET CHOIX DES VARIABLES 57
D'ETATS
3.1 Définition et notations : 57
3.2 Choix des variables d'états : 58
3.3 Détermination du système d'états et schéma fonctionnel : 60

4 ETUDE DE LA REGULATION DES COURANTS DE PARK. 62
4.1 Etude du découpleur linéarisant : 62
4.2 Autre solution de découplage : 66
4.3 Etude comparative des 2 découpleurs : 67
4.4 Boucle fermée avec correction sur les courants : 68

5 REGULATION DE VITESSE. 69
5.1 Choix d'une régulation de vitesse : 69
5.2 Schéma-blocs de l'ensemble Moteur/Machine/Régulations : 69

6 ONDULEUR DE TENSION. 71
6.1 Généralités : 71
6.2 Onduleur à commande en M.L.I : 72
6.3 Commande en couple avec un onduleur de tension à 73
M.L.I./Simulations:
6.4 Commande en vitesse avec un onduleur de tension à M.L.I./Simulation: 76

7 CONCLUSION. 78
Table des matière – Mémoire CNAM Patrick BOIDIN.
CHAPITRE 4 : 80
COMMANDE SANS CAPTEUR ET FILTRE DE
KALMAN

1 INTRODUCTION. 81

2 LE CAPTEUR DE POSITION. 81
2.1 Le capteur est son rôle : 81
2.2 Résolution du capteur : 81
2.3 Choix du type de capteur : 82
2.4 Le codeur rotatif incrémental : 82
2.5 Le codeur rotatif absolu : 82
2.6 Le résolveur : 82
2.7 Conclusion : 84

3. RECONSTRUCTION DE LA POSITION DU ROTOR. 84
3.2 Le reconstructeur et son principe, appliqués aux systèmes linéaires : 84

4. RECONSTRUCTEUR D’ETAT EVOLUE DU TYPE « FILTRE 89
DE KALMAN ».
4.1 Principe du filtre de Kalman : 89
4.2 Le filtre de Kalman associé aux systèmes linéaires : 90
4.3 an étendu aux systèmes non linéaires : 93

5. APPLICATION DU FILTRE DE KALMAN. 96
5.1 Choix du référentiel pour le filtre de Kalman: 96
5.2 Détermination des équations du système différentiel estimé dans le 97
repère  , : ss
5.3 Commande du moteur dans le repère (a ,b ,c ) : 100 s s s
5.3.a) Régulation des courants i , i , et i avec compensation des f.e.m : 101 as bs cs
5.3.b) Générateur de références sur les courants : 102
5.3.c) Synoptique de commande du moteur dans le repère (a ,b ,c ) : 104 s s s
5.4 Validation théorique (simulation) de la commande du moteur avec filtre 105
de Kalman :
5.4.a) Commande du moteur en vitesse avec retour par le filtre de Kalman : 105
5.4.b) Remarques sur les simulations effectuées : 111
5.5 Définition des moyens matériels pour les essais expérimentaux : 112

6. CONCLUSION. 117


118 CONCLUSION GENERALE

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 119
Table des matière – Mémoire CNAM Patrick BOIDIN.
ANNEXES
 ANNEXE 1: Essais expérimentaux et validation du modèle.
122 ESSAIS DU PROTOTYPE.

 ANNEXE 2 : Commande sans capteur mécanique - Filtre de
143
Kalman.
QUELQUES NOTIONS SUR LES VARIABLES ALEATOIRES.

 ANNEXE 3:
Kalman. 141
TRANSFORMATIONS DE CLARKE ET DE CONCORDIA.

 ANNEXE 4 : Commande sans capteur mécanique - Filtre de
150 Kalman.
SCHEMAS BLOCS SOUS SIMULINK ET MASQUE DE
S-FUNCTION DU FILTRE.
FICHIERS "METAFILE".
Et Quelques photos




Liste des symboles utilisés – Mémoire CNAM Patrick BOIDIN.
.
LISTE DES SYMBOLES UTILISES

: Position de l'axe d de Park par rapport à l'axe de la phase a .  s
ii i : Courants instantanés dans les phases statoriques d'axes a, b et c. as bs cs
ii i ds qs os : axes d, q et o.
ii : ssaxes  et .
vv v : Tensions instantanées aux bornes des phases statoriques d'axes a, b et c. as bs cs
vvv : axes d, q et o. ds qs os
uu : Tensions de Park à l'entrée du découpleur linéarisant. ds qs
vv : axes  et . ss
ee c : Force électromotrice induite dans les phases du moteur. as bs cs
  : Flux embrassés par l'enroulement successif des phases statoriques d'axes as bs cs
a, b et c.
 : Flux emenroulemaxes ds qs os
d, q et o.
 : Flux instantané créé par l'aimant du circuit inducteur, embrassé par les abaim aim
enroulements de la phase a , b , c . s s scaim
 : Flux créé par les aimants du disque rotor transposé sur l’axe d : daim
  32 :Vraie valeur de Park, non primée    . daim aim daim aim
 : ants du disque rotor. aim
~ : Flux, à valeur estimée constante, créé par les aimants du disque rotor  aim
R : Résistance d'une phase statorique. s
~ : Résistance, à valeur estimée constante, d'une phase statorique. R s
R : Résistance équivalente aux pertes magnétiques. m
I : Courant de court-circuit dans les phases statoriques (essai en cc). cc
I : Courant dû aux pertes magnétiques. rm
LL L : Inductance propre des enroulements statoriques a , b , c . pa pb pc s s s
~ : Inductance synchrone, à valeur estimée constante, du moteur. Ls
L : Inductance synchrone du moteur. s
L : Inductance synchrone d'axe q (transversale) : LLL  . q dqs
L : axe d (longitudinale) :   . d
L : Inductance propre magnétisante des enroulements statoriques. ms
l : Inductance de fuites. f
L : Matrice des inductances statoriques : s
 lL12L 12Lfms ms ms
 
12Ll L12L ms f ms ms 
12LL 12 lL ms ms f ms
: Inductance de mutuelle entre 2 enroulements de phases statoriques : M
MMM M . ab ac bc
: Fréquence de rotation du moteur. n
: Vitesse angulaire mécanique du rotor en rad/s :   2  n 
 : Position électrique de l'inducteur par rapport au champ tournant (Angle r
constant en régime synchrone).
: inducteur par rapport à l'axe fixe de la phase a, Oa.
 : Position électrique estimée et optimisée du rotor.  Liste des symboles utilisés – Mémoire CNAM Patrick BOIDIN.
.
 : Position mécanique du rotor par rapport à l'axe fixe de la phase a, Oa. mé c
 : Température limite d'échauffement des enroulements statoriques. lim
 : Pulsation des courants statoriques. s
 : Vitesse angulaire de l'inducteur par rapport au champ tournant (Vitesse r
nulle en régime synchrone).
: inducteur par rapport à l'axe fixe de la phase a, Oa. 
: Vitesse angulaire du rotor estimée et optimisée. 
f : Coefficient de frottements visqueux.
ft() : Vecteur d'évolution du système, fonction du temps.
: Ft,(x t)   Fonction "aux dérivées partielles" de f x ()tu, (tt),  . x ref ref
gt() : Vecteur d'application de la commande, fonction du temps.
p et s : Opérateurs de Laplace.
N : Nombre de pas du moteur. p
T : Couple électromagnétique moteur. em
T : Couple utile disponible sur l’arbre du moteur. u
T : Couple résistant total : T =T +T +T . r r rma r0 rf
T : Couple résistant dû à la machine entraînée. rma
T : Couple résistant dit « résiduel » dû aux aimants. r0
T : Couple de frottements visqueux : Tf   rf rf
 : Constante thermique d'échauffement des enroulements statoriques. th
J : Moment d'inertie des masses tournantes du moteur. m
J : Moment d'asses tournantes de la machine à entrainer. r
J : Moment d'oteur et de la machine :
J  J  J . mr
2k : Constante de vitesse de la machine entrainée : Tkw T . rma
 K : T Constante de couple en N.m/A. KN 32  avec   . Tpdaim daim aim
: Matrice de gains de correction à coefficients constants. K
K : Vecteur de gains de correction au pas d'échantillonnage k. k
 : P  coscos 23  cos 43
2  
Matrice de Park : sinsin23  sin43 .  3
12 12 12  
P : Puissance due aux pertes mécaniques. mé c
P : agnétiques. mag
 : Angle de déphasage entre le courant et la tension statorique.
: Angle interne de la machine. Déphasage entre la f.e.m et la tension 
statorique.
 : Déphasage entre le courant et la f.e.m.
: Coefficient d'amortissement. z
: Ld dConstante électrique d'axe d : d  .
R s
 : Vecteur d'état fonction du temps. xt
x : état discrêt, au pas d'échantillonnage k. k
 x : Vecteur d'état à variables estimées et optimisées.
x : ées et corrigées. c
 x : Matrice dérivée du vecteur d'état.

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