Commande optimise d`un actionneur linaire synchrone pour

N°: 2007 ENAM XXXX
Ecole doctorale n° 432 : Sciences des Métiers de l’Ingénieur
T H È S E
pour obtenir le grade de
Docteur
de
l’École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers
Spécialité “ Génie Electrique”
Jury :
M. Jean-Paul LOUIS, Professeur, SATIE, ENS Cachan ........................................ Président
M. Bernard MULTON, Professeur, SATIE, ENS Cachan - Bretagne ................... Rapporteur
M. Maurice FADEL, Professeur, LAPLACE, INP Toulouse ................................. Rapporteur
M. Abdelmounaïm TOUNZI, Maître de Conférences HDR, L2EP, USTL, Lille .. Examinateur
M. Jean-Paul HAUTIER, Professeur, L2EP, Arts & Métiers Paritech, Paris ........ Examinateur
M. Pierre-Jean BARRE, Professeur, L2EP, Arts & Métiers Paritech, Paris .......... Examinateur
M. Ralph COLEMAN, Ingénieur, Motion Control Research Mgr, ETEL.............. Invité
Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille
ENSAM, CER de Lille
L’ENSAM est un Grand Etablissement dépendant du Ministère de l’Education Nationale, composé de huit centres :
AIX-EN-PROVENCE ANGERS BORDEAUX CHÂLONS-EN-CHAMPAGNE CLUNY LILLE METZ PARIS
présentée et soutenue publiquement
par
Ghislain REMY
le 17 décembre 2007
COMMANDE OPTIMISEE D’UN ACTIONNEUR
LINEAIRE SYNCHRONE POUR UN AXE
DE POSITIONNEMENT RAPIDE
Directeur de thèse : Jean-Paul HAUTIER
Co-encadrement de la thèse : Pierre-Jean BARRE

Remerciements
Ce travail a été réalisé au sein du Laboratoire d’Électrotechnique et d’Électronique de Puissance de
Lille (L2EP) en collaboration avec l’entreprise ETEL suisse, aujourd’hui leader mondial dans la
conception et la fabrication de motorisation à entraînement direct.
Je tiens à remercier Monsieur le Professeur Jean-Paul Louis pour avoir accepté de présider mon jury
de thèse. J’adresse mes profonds remerciements à Messieurs les Professeurs Bernard Multon et Maurice
Fadel pour avoir accepter d’être rapporteur de ce mémoire. Leurs remarques ont contribué à une
meilleure valorisation du travail réalisé. Je remercie Messieurs Abdelmounaïm Tounzi (MCF HDR de
l'université de Lille 1) et Ralph Coleman (Motion Control Research Manager d'ETEL Suisse) pour avoir
accepté de participer au jury en tant qu’invité.
La première partie de cette thèse porte sur la modélisation d’un actionneur électromagnétique, et elle
n’aurait pas pu aboutir sans l’aide de personnes compétentes et attentives de l’équipe MECOSYEL du
L2EP de Lille. Je tiens tout particulièrement à remercier M. Piriou et M. Tounzi, pour les discussions
avisées et surtout pour les nombreuses relectures qu’ils ont effectuées.
Le deuxième volet de cette thèse est une contribution à la commande des moteurs linéaires, et reflète
la continuité de nombreux travaux de l’équipe CEMASYC du L2EP de Lille et notamment de mon
directeur de thèse, M. Hautier et de mon co-directeur M. Barre, que je remercie pour leurs précieux
conseils et le temps passé à suivre mes travaux.
Je tiens aussi à remercier les autres membres de notre équipe de recherche, M. Dieulot, M. Kestelyn
et M. Degobert, pour les relectures et les discussions enrichissantes que nous avons eues ensemble. Je
remercie également mes collègues proches Richard, Julien, Olivier, Frédéric et Jia Zeng. Je n’oublie pas
les piliers techniques du laboratoire, Bernard, Luc et Marc, qui contribuent à la réussite de nos travaux
de recherche et toujours dans la bonne humeur.
Je tiens à préciser l’importance des relations privilégiées que j’ai pu avoir avec notre partenaire
industriel, et plus particulièrement M. Coleman et ses collègues, pour l’expertise et les compétences
qu’ils ont apportées à notre étude.
Enfin ce travail de thèse n’aurait guère duré longtemps sans un soutien familial indéfectible et
surtout sans la compréhension et à la patience de ma femme tout au long de ces années.
Chercher n'est pas une chose et trouver une autre,
mais le gain de la recherche, c'est la recherche même.
Saint Grégoire de Nysse,
Homélies sur l'Ecclésiaste.
À mon père
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Table des matières
Liste des variables
Introduction générale
Contexte et positionnement du sujet de thèse
Chapitre 1 Synthèse sur les moteurs linéaires
1.1 Historique
1.2 Structures et topologies des moteurs linéaires
1.3 Domaines d’application
1.4 Développement des moteurs linéaires
1.4.1 Freins aux développements industriels des moteurs linéaires
1.4.2 La recherche actuelle sur les moteurs linéaires
1.4.3 Précédentes études réalisées au sein du laboratoire
1.5 Modèle classique du moteur linéaire synchrone
1.5.1 Modèle au premier harmonique
1.5.2 Limites du modèle : autres phénomènes à prendre en compte
1.5.3 Présentation du moteur linéaire employé dans notre étude
1.6. Outils de modélisation
1.6.1 Méthodes d’analyse des moteurs linéaires
1.6.2 Représentation par le Graphe Informationnel Causal
1.7. Conclusion
Chapitre 2 Modélisation avancée d’un moteur linéaire synchrone
2.1 Analyse des forces électromotrices à vide
2.1.1 Origine des harmoniques
2.1.2 Modèle analytique
2.1.3 Modèle par éléments finis
2.1.4 Validation expérimentale
2.1.5 Analyse des forces électromotrices en charge
2.1.6 Impact sur la force de poussée
2.1.7 Conclusion sur l’analyse des forces électromotrices
2.2 Analyse des inductances
2.2.1 Origine de la saturation
2.2.2 Modélisation analytique
2.2.3 Modèle par éléments finis
2.2.4 Validation expérimentale
2.2.5 Impact sur la force de poussée
2.2.6 Conclusion sur l’analyse de la matrice inductance
2.3 Analyse des effets d’encoche et des forces de denture
2.3.1 Origine des forces de denture
2.3.2 Modèle analytique
2.3.3 Modèle par éléments finis
2

2.3.4 Validation expérimentale
2.3.5 Impact sur la force de poussée
2.3.6 Conclusion sur l’analyse des forces de détente
2.4 Conclusion sur la modélisation
Chapitre 3 Commande optimisée d’un moteur linéaire synchrone
3.1 Introduction
3.2 Structure de commande par inversion du Graphe Informationnel Causal
3.3 Architecture de commande en Boucle Fermée (BF)
3.3.1 Architecture de commande maximale
3.3.2 Analyse de la boucle interne de courant
3.3.3 Analyse des boucles de vitesse et position
3.3.4 Architectures de commande industrielle
3.3.4.1 Commande par boucles en cascade
3.3.4.2 Commande par retour d’état
3.3.5 Commande avancée en force en Boucle Fermée
3.3.5.1 Problème des représentations fréquentielles pour la commande
3.3.5.2 Multiples référentiels de Park
3.3.5.3 Multiples correcteurs résonants dans un repère diphasé
3.3.6 Conclusion sur la commande en Boucle Fermée
3.4 Architecture de commande en Boucle Non-Fermée (BNF)
3.4.1 Commande par la dérivée nième
3.4.2 Commande plate d’un moteur linéaire
3.4.2 Commande mixte : BNF et BF
3.5 Conclusion
Conclusion générale
Bilan des travaux présentés
Perspectives
Annexe
A1 – Liste des fabricants de PMLSMs
A2 – Paramètres géométrique et électrique du LMD10-050 d’ETEL
A3 – Paramètres géométrique et électrique du LIMES400/120 de Siemens
A4 – Transformée usuelle
A5 – Documentation technique du LMD10-050
A6 – Méthodes d'identification expérimentale des inductances
Bibliographie
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Liste des variables
Χ
 Grandeur X estimée, ou calculée
Χ
Grandeur X mesurée
ˆ
Χ Valeur maximale de la grandeur X
Vd, Vq Tensions de l’axe-d et de l’axe-q, dans le repère de Park [V]
Vdref, Vqref Références de Vd, Vq, dans le repère de Park [V]
ed, eq Forces électromotrices ed de l’axe-d et eq de l’axe-q, dans le repère de Park [V]
d
e
q
e
, Estimations de ed, eq, dans le repère de Park [V]
id, iq Courants de l’axe-d et de l’axe-q, dans le repère de Park [A]
idref, iqref Courants de référence id, iq, dans le repère de Park [A]
kd, kq Facteurs de réaction de l’axe-d et de l’axe-q, dans le repère de Park [N/A]
d
k
q
,k Estimations de kd, kq, dans le repère de Park [N/A]
Ld, Lq Inductances Ld de l’axe-d et Lq de l’axe-q, dans le repère de Park [H]
d
L
q
L
, Estimations de Ld, Lq, dans le repère de Park [H]
L Inductance propre d’une phase du primaire du PMLSM dans le repère abc [H]
R Résistance d’une phase du primaire du PMLSM dans le repère abc [Ω]
M Masse du secondaire du PMLSM [kg]
Tem, Temref Force de poussée et Force de poussée de référence [N]
Tr Force résistante [N]
τp Pas polaire, distance entre deux pôles magnétiques consécutifs (pour le PMLSM) [m]
Np Constante de position électrique. Np =
π / τp [rad/m], (Remarque : pour un moteur
tournant : N
p
= p, avec p le nombre de paire de pôles.)
x Déplacement linéaire [m]
θ
Angle mécanique du rotor pour un moteur tournant [rad]
e
θ
Angle électrique [rad]
ˆ
f
φ
Valeur maximale du flux magnétique d’excitation par phase dans le repère abc [Wb]
v Vitesse linéaire [m/s]
Ω Vitesse angulaire mécanique du rotor pour un moteur tournant [rad/s]
ω
Vitesse angulaire électrique [rad/s]
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