Commande numérique à base de composants FPGA d

Année 2007
THESE
Présentée pour obtenir le titre de
DOCTEUR DE
L'ECOLE NATIONALE D'INGENIEURS DE TUNIS
ET
L'UNIVERSITE DE CERGY PONTOISE
Spécialité : Génie électrique
par
Mohamed Wissem NAOUAR
Ingénieur en Génie Electrique (ENIT) Mastère Systèmes Electriques (ENIT)
-----------------------------------------
Commande numérique à base de composants FPGA
d’une machine synchrone
Algorithmes de contrôle du courant
Thèse présentée et soutenue à Tunis le 6 décembre 2007 devant le jury composé de :
Président : Mme. Safya BELGHITH
Rapporteurs : Mr. Bruno ALLARD
Mr. Jaouhar MOUIN
Examinateur : Mr. Marcian Nicolae CIRSTEA
Directeurs de thèse : Mr. Eric MONMASSON
Mme. Ilhem SLAMA BELKHODJA
Invité : Mr. Ammar NAASSANI
UR-SE, ENIT, BP 37, Le belvédère 1002, Tunis, Tunisie
Laboratoire SATIE - UCP/UMR 8029, 5 Neuville-sur-Oise 95031 Cergy-Pontoise, France

I
اﺮﺷ ﻰﻠﻋ دﺎﻤﺘﻋﻻﺎﺑ ﺖﻗاﻮﺘﻣ كﺮﺤﻤﻟ ﺔﻴﻤﻗﺮﻟا ةدﺎﻴﻘﻟاﺋ ﺔﻠﺑﺎﻘﻟا ﺔﻴﻘﻄﻨﻤﻟا تﺎﺑاﻮﺒﻟا ﺔﻓﻮﻔﺼﻣ ﺢ
ﺔﺠﻣﺮﺒﻠﻟ
ﻢﻜﺤﺘﻟا تﺎﻴﻣزراﻮﺧرﺎﻴﺘﻟﺎﺑ
- ﻪﻴﺣﺎﺘﻔﻣ تﺎﻤﻠآ
• اﺮﺷﺋﺔﺠﻣﺮﺒﻠﻟ ﺔﻠﺑﺎﻘﻟا ﺔﻴﻘﻄﻨﻤﻟا تﺎﺑاﻮﺒﻟا ﺔﻓﻮﻔﺼﻣ ﺢ
• ﺖﻗاﻮﺘﻤﻟا كﺮﺤﻤﻟﺎﺑ ﻢﻜﺤﺘﻟا
• رﺎﻴﺘﻟﺎﺑ ﻢﻜﺤﺘﻟا تﺎﻴﻨﻘﺗ
• ﻢﻜﺤﺘﻟا مﺎﻈﻧ ءادأ
• ﺘﺳﺎﺑ ﻢﻜﺤﺘﻟاﻞﺼﻔﻟاو ﻞﺻﻮﻟا ﺔﻘﻳﺮﻃ ماﺪﺨ
• يﺆﺒﻨﺘﻟا ﻢﻜﺤﺘﻟا
• ﺘﻟاﺤﺔﻴﺒﺳﺎﻨﺘﻟا تﺎﻤﻈﻨﻤﻟا ماﺪﺨﺘﺳﺎﺑ ﻢﻜ -ﺔﻴﻠﻣﺎﻜﺘﻟا
• ﻲﻗﻻﺰﻧﻻا مﺎﻈﻨﻟا ماﺪﺨﺘﺳﺎﺑ ﻢﻜﺤﺘﻟا
- ﺺﺨﻠﻣ
ﻞﻤﻌﻟا اﺬه ﻦﻣ ضﺮﻐﻟا ﻚﻟذو ةدﺎﻴﻘﻟا ﺔﻤﻈﻧأ تﺎﻴﻣزراﻮﺨﻟ ﺐﻠﺼﻟا ءﺎﻨﺒﻟا ﻰﻠﻋ ةﺪﻤﺘﻌﻤﻟا لﻮﻠﺤﻟا ماﺪﺨﺘﺳا ﺔﻴﻤهأ ضﺮﻋ ﻮه
ﻟا ﺔﻓﻮﻔﺼﻣ ﺢﺋاﺮﺷ ماﺪﺨﺘﺳﺎﺑﺔﺠﻣﺮﺒﻠﻟ ﺔﻠﺑﺎﻘﻟا ﺔﻴﻘﻄﻨﻤﻟا تﺎﺑاﻮﺒ. ﺰﻴآﺮﺘﻟا ﻢﺗ ﻚﻟذ ﻞﺟأ ﻦﻣ ﺔﻳاﺪﺒﻟا ﻲﻓ ﻰﻠﻋ ﺔﺸﻗﺎﻨﻣو ضﺮﻋ
ﻰﻠﻋ ةﺪﻤﺘﻌﻣ ﺔﻴﺠﻬﻨﻣ ﺔﻘﻳﺮﻃ ﺮﻳﻮﻄﺗو ﻢﻴﻤﺼﺗ ﺔﺒﺳﺎﻨﻣ ﺐﻠﺼﻟا ءﺎﻨﺒﻟا ﻰﻟإ ﺮﻤﺜﺴﻤﻟا ﻪﺟﻮﺗ تﺎﻴﻣزراﻮﺨﻠﻟ ،ﺔﻤﻤﺼﻤﻟا ﻩﺬه ﺖﺤﻤﺳ
ﺔﻴﺠﻬﻨﻤﻟا ﻴﺋﺎﺑﺮﻬﻜﻟا تﺎآﺮﺤﻤﻟا ةدﺎﻴﻘﻟ ةﺪﻌﻣ ﺔﺻﺎﺧ ﺔﺒﺘﻜﻣ ﺰﻴﻬﺠﺘﺑ ﺔ ﺔﻬﺟ ﻦﻣ وﻨﺒﺑ كﺮﺤﻤﻠﻟ رﺎﻴﺘﻟا ﻢﻴﻈﻨﺗو ﻢﻜﺤﺘﻟا تﺎﻴﻣزراﻮﺧ ءﺎ
ﺔﺠﻣﺮﺒﻠﻟ ﺔﻠﺑﺎﻘﻟا ﺔﻴﻘﻄﻨﻤﻟا تﺎﺑاﻮﺒﻟا ﺔﻓﻮﻔﺼﻣ ﺢﺋاﺮﺷ ﻦﻤﺿ ﺖﻗاﻮﺘﻤﻟا ىﺮﺧأ ﺔﻬﺟ ﻦﻣ. ﻩﺬﻬﻟ ﺔﻳﺮﻈﻨﻟا ﺔﻴﻨﺒﻟا تﺪﻤﺘﻋا
ﺔﻴﻟﺎﺘﻟا ﻢﻜﺤﺘﻟا ﺔﻤﻈﻧأ ﻰﻠﻋ تﺎﻴﻣزراﻮﺨﻟا:
- ﻞﺼﻔﻟاو ﻞﺻﻮﻟا ﺔﻘﻳﺮﻃ
- ﺔﻳﺆﺒﻨﺘﻟا ﺔﻘﻳﺮﻄﻟا
- ﺔﻴﺒﺳﺎﻨﺘﻟا تﺎﻤﻈﻨﻤﻟا ﺔﻘﻳﺮﻃ–ﺔﻴﻠﻣﺎﻜﺘﻟا ﻜﻟاﺔﻴﻜﻴﺳﻼ
- ﻲﻗﻻﺰﻧﻻا مﺎﻈﻨﻟا
ﺔﻳرﺎﻤﻌﻤﻟا ﺔﻴﻨﺒﻠﻟ ﺔﻘﻓاﺮﻤﻟا ﺔﻴﻨﻣﺰﻟا تﺎﻄﻄﺨﻤﻟا ﻰﻟإ ﺔﻓﺎﺿﻹﺎﺑ ﺺﺋﺎﺼﺨﻟاو تﺎﻔﺻاﻮﻤﻟا ﻢﻳﺪﻘﺗو ﺔﺳارد ﻢﺗ ﺔﺣوﺮﻃﻷا ﻩﺬه لﻼﺧ
ةﺪﺣ ﻰﻠﻋ رﺎﻴﺘﻟﺎﺑ ﻢﻜﺤﺗ ﺔﻴﻨﻘﺗ ﻞﻜﺑ صﺎﺨﻟاو ﻢﻤﺼﻤﻟا مﺎﻈﻨﻠﻟ . ﺔﻓﻮﻔﺼﻣ ﺢﺋاﺮﺷ ماﺪﺨﺘﺳا ﻦﻣ ةﺪﺋﺎﻔﻟا ىﺪﻣ ﺔﺸﻗﺎﻨﻣو ﻞﻴﻠﺤﺗ ﻢﺗ ﺎﻤآ
ا تﺎﺑاﻮﺒﻟاﺔﺘﻗاﻮﺘﻤﻟا تﺎآﺮﺤﻤﻟا رﺎﻴﺘﺑ ﻢﻜﺤﺘﻟا تﺎﻴﻣزراﻮﺨﻟ ﻲﻤﻗﺮﻟا ءﺎﻨﺒﻠﻟ ﺔﺠﻣﺮﺒﻠﻟ ﺔﻠﺑﺎﻘﻟا ﺔﻴﻘﻄﻨﻤﻟ .

II
Commande numérique à base de composants FPGA
d’une machine synchrone
Algorithmes de contrôle du courant
- Mots Clefs
• FPGA
• Contrôle d’une machine synchrone
• Techniques de contrôle de courants
• Performances de contrôle
• Contrôle ON/OFF
• Contrôle prédictif
• Contrôle par régulateurs PI
• Contrôle par mode de glissement
- Résumé
L’objectif de ce travail est de présenter l’intérêt de l’utilisation des solutions matérielles
telles que les FPGA comme support pour l’implantation des algorithmes de commande de
machines électriques. Pour ce faire, une approche méthodique basée sur une méthodologie de
développement appropriée qui guide le processus d’implantation sur FPGA est d’abord
présentée et discutée dans ce mémoire. Cette approche méthodique a permis par la suite la
mise en œuvre d’une bibliothèque spécifique d’architectures matérielles réutilisables dédiée à
la commande de machines électriques. Elle a aussi permis l’implantation sur cible FPGA de
plusieurs algorithmes de contrôle du courant d’une machine synchrone. Il s’agit notamment
des contrôles suivants :
- Contrôle ON/OFF
- Contrôle prédictif
- Contrôle par régulateurs PI
- Contrôle par mode de glissement
Tout au long de ce mémoire, le mode de fonctionnement caractérisant chacune des
architectures de contrôle matérielles conçues est étudié et présenté. Par ailleurs, la
contribution et l’apport de l’utilisation des composants FPGA pour la réalisation numérique
de chaque technique de contrôle de courant sont analysés et discutés.

III
FPGA-Based Digital control of a synchronous machine
Current control algorithms
- Keywords
• FPGA
• Synchronous machine control
• Current control techniques
• Control performances
• ON/OFF current controllers
• Predictive current controller
• PI current controllers
• Sliding mode current controllers
- Abstract
The aim of this work is to present the interest of using hardware solutions such as FPGAs
for the digital implementation of control algorithms of electrical machines. For this reason, a
methodical approach based on an appropriate design methodology is firstly presented and
discussed. This design methodology allowed the realization of a specific library, composed of
reusable hardware architectures, which is dedicated to the control of electrical machines. It
also allowed the FPGA implementation of several current control algorithms of a synchronous
machine. The implemented current control techniques are:
- ON/OFF current controllers
- Predictive current controllers
- PI current controllers
- Sliding mode current controllers
The operating mode corresponding to each one of the designed hardware architectures is
studied and presented throughout this memory. The contribution and the benefits of FPGA
components in the control of electrical machines are also analyzed and discussed.

IV
Je dédie ce travail à ma famille,
à ma mère, à mon père et à mes frères pour leur soutien et leur affection.
Je dédie également ce travail à Bagdad, capitale de lumière et ville
des contes des mille et une nuits.