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Commande à haute performance et sans capteur mécanique du moteur synchrone à aimants permanents

Zheng, Zedong (2008) Commande à haute performance et sans capteur mécanique du moteur synchrone à aimants permanents. (High-performance control and sensorless permanents magnets synchronous motor.)

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Abstract

Les moteurs synchrones à aimants permanents sont de plus en plus utilisés dans les servo-méchanisme grâce à leurs performances supérieures aux autres moteurs à courants alternatifs. Cette thèse porte sur la commande à hautes performances du moteur synchrone à aimants permanents. La première partie traite de la commande avec capteur mécanique en cherchant des performances dynamiques élevées. La deuxième partie s'intéresse à la commande sans capteur mécanique. A partir de l'analyse comportementale des observateurs de couple de type Luenberger d’ordre complet et d'ordre réduit, un observateur basé sur le filtre de Kalman est mise à jour. La vitesse, la position et le couple de charge sont observés à partir de la mesure de la position par le capteur avec résolution limitée. Ensuite, le couple observé est utilisé pour une compensation directe dans le but de minimiser des ondulations de la vitesse pendant l'impact de la charge. Une loi de commande par retour d'état associé à un filtre de Kalman est présentée où les régulateurs traditionnels de la vitesse et la position sont combinés et unifiés. Cette loi de commande peut s'appliquer aux moteurs à pôles saillants et aux moteurs à pôles lisses. Une méthode pour estimer la position et la vitesse du rotor, basée sur le filtre de Kalman étendu est présentée. Les équations dans le repère tournant sont utilisées, donc l’observateur peut s'appliquer au moteur avec pièces polaires. Par extension, le couple de charge est observé par le filtre de Kalman étendu et est utilisé pour la compensation sur le couple par modification de la grandeur de commande. Les courants filtrés par le filtre de Kalman sont également utilisés à la place des courants mesurés pour éliminer les effets du bruit. Une méthode de démarrage du moteur synchrone à aimants permanents est proposée pour presque toutes les méthodes d’estimation de la position du rotor basées sur les équations de tension dans le repère tournant au synchronisme. A partir de l’analyse des équilibres du système, une compensation sur l’axe quadrature (axe q) est adoptée pour briser les équilibres non souhaités et faire converger l'observateur vers un équilibre souhaité. Donc le moteur peut démarrer à partir des toutes les positions initiales inconnues. Pour estimer la position et la vitesse en basse vitesse, une méthode d’injection d’un signal haute fréquence associée avec le filtre de Kalman est proposée. Le filtre de Kalman traite les signaux haute fréquence par les courants mesurés et remplace ainsi tous les filtres traditionnels (passe haut, passe bas, passe bande). Cette méthode est simple et efficace et améliore les résultats traditionnels. De nombreuses expérimentations sur le moteur à aimants collés en surface sont conduites afin de valider les performances obtenues en simulation. ABSTRACT : The permanent magnet synchronous motors (PMSM) are more and more used because of their high performance compared with other AC motors. This thesis is about the high performance control of permanent magnet synchronous motors. The first part is about the control system with mechanical sensor to improve control performance. The second part is about the mechanical sensorless control system. After the analyses of the full-order and reduced-order Luenberger observer, a load torque observer based on Kalman filter is proposed. The precise rotor position, speed and load torque are observed using the rotor position given by a mechanical sensor with only limited resolution. Feed-forward compensation by observed load torque is used to improve the control performance during load torque’s changes. A novel position controller based on state feedback is proposed associated with a Kalman filter. The traditional position and speed controllers are replaced by a single controller which outputs the reference electromagnet torque directly. The feed-forward compensations made by position reference can reduce the overshoot in position control. The parameters of the controller can be easily obtained by the selection of poles and the analyses of the transfer function.  The control algorithm can be applied on both salient and non-salient motors. An observer based on extended Kalman filter (EKF) is built up to observe rotor position and speed precisely. The equations in rotor flux oriented synchronous coordinates are adopted, so the observer can be easily applied on both salient and non-salient motors. By extension, the load torque can also be observed by the extended Kalman filter and be used as feed-forward compensation on reference torque. Furthermore, the observed stator currents are used as feedback for the current controllers instead of direct measured ones to reduce the effects of disturbances and noises. A novel start up method of PMSM is proposed and can be used on almost all the rotor position estimation methods based on dq-axes voltages equations. Based on the analyses of the equilibrium points, by adding some compensation in q-axe equation to break the balance of unexpected equilibrium points, the observer can converge to the expected equilibrium point globally. So the motor can start up successfully from any unknown initial positions. To estimate the rotor position and speed in low speed region, a high frequency signal injection method with Kalman filter is proposed. Only two Kalman filters dealing with all the signal processing are used instead of all the traditional low-pass, high-pass and band-pass filters. This method is simple and can improve the performance of the high frequency method. Experiments on surface mounted motors are carried out to verify the performance obtained in simulation

Other Institution (co-tutelle):Tsinghua University‎ (Pékin)
Department or laboratory:Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie - LAPLACE (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Fadel, Maurice and Li, Yongdong
Additional Information:Thèse bilingue français / chinois. Bilingual dissertation french / chinese
Uncontrolled Keywords:Observateur de couple - Régulateur de position - Filtre de Kalman - Commande sans capteur - Démarrage du moteur - Injection haute fréquence. KEYWORDS : Load torque observation - Position controller - Kalman filter - Sensor-less control - Start up problem - High frequency signal injection
Subjects:Electrical engineering
Deposited On:10 October 2008

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