Contribution à la commande robuste de la machine asynchrone à

N° d’ordre : 2457 Année 2007
THESE
présentée
pour obtenir le titre de
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
École doctorale : G.E.E.T.
Spécialité : GENIE ELECTRIQUE
Par M :
Georges SALLOUM
CONTRIBUTION A LA COMMANDE ROBUSTE DE LA
MACHINE ASYNCHRONE A DOUBLE ALIMENTATION
Soutenue le 13 Mars 2007 devant le jury composé de :
M. J.M. KAUFFMANN Président
L. LORON Rapporteur
E. MONMASSON Rapporteur
Mme M. PIETRZAK-DAVID Directeur de thèse
M. B. DE FORNEL Codirecteur de thèse
R. GHOSN Membre
Thèse préparée au Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie de l’ENSEEIHT
Unité Mixte de Recherche No 5213 au CNRS

CONTRIBUTION A LA COMMANDE ROBUSTE DE LA
MACHINE ASYNCHRONE A DOUBLE ALIMENTATION
Mots clefs :
• MADA
• Découplage par retour d’état
• Commande robuste
• MRAS
• Filtre de Kalman
• Estimateur fréquentiel.
Résumé :
Le travail présenté dans cette thèse apporte, entre autres, une contribution aux méthodes
d’analyse et de synthèse de la commande robuste des Machines Asynchrones à Double
Alimentation (MADA) alimentées par deux onduleurs de tension avec deux bus continus
distincts.
Nous introduisons, dans un premier chapitre, la commande vectorielle classique de la
MADA munie de capteurs mécaniques. Ce chapitre se distingue par une nouvelle approche
pour assurer le découplage des courants de la MADA dans un repère (d-q) conduisant à des
fonctions de transfert simples, et par conséquent, un calcul simplifié des correcteurs. Ce
chapitre se termine par une étude prouvant la robustesse du découplage et de la commande
vis-à-vis des variations paramétriques de la machine.
La commande robuste de la MADA, par l’approche H∞, est ensuite abordée en faisant une
comparaison entre quatre stratégies de contrôle : la sensibilité mixte, une variante de la
sensibilité mixte, le loop-shaping et la μ -synthèse. Une étude par μ -analyse de la robustesse
en stabilité et en performance offre un critère de choix du correcteur. La réalisabilité du
correcteur sera à son tour un critère déterminant du choix de la méthode de correction.
Dans une dernière partie, nous centrons notre intérêt sur la commande robuste de la
MADA sans capteurs mécaniques en travaillant sur des méthodes d’estimation de la vitesse et
de l’angle mécanique. Nous limitons cette étude à l’introduction de deux méthodes
d’estimation : La MRAS, éventuellement associée à un filtre de KALMAN, et l’injection
d’une composante haute fréquence associée à un traitement numérique (FFT – STFT) pour en
déduire la vitesse. La première approche est simple à implanter mais elle est très sensible aux
variations paramétriques, surtout la résistance statorique, tandis que la deuxième est
complètement insensible à ces variations mais très lourde en calcul. Dans cette partie, nous
nous intéressons aussi à la commande numérique de la MADA.

CONTRIBUTION AT THE ROBUST CONTROL
OF DOUBLY FED INDUCTION MOTOR
Keywords:
• DFIM
• Input output decoupling
• Robust control, H∞
• MRAS, Kalman filter
• Frequency estimator.
Abstract:
The scope of work in our research thesis is the analysis and application of robust control,
H∞ approach, to achieve the control of the Doubly Fed Induction Motor (DFIM) fed by two
PWM inverters with separate DC bus link.
First, we deal with the DFIM vector control equipped with mechanical sensors. By
introducing a new approach for decoupling the motor’s currents in a rotating d-q frame, based
on the state space input-output decoupling method, we obtain the same transfer function (1/s)
for all four decoupled currents. This part ends by analyzing the robustness of the decoupling
method, as well as the controllers, against motor parameters uncertainty.
In the second part, we study and analyze the DFIM H∞ robust control by comparing four
methods: the mixed sensitivity, a variant of the mixed sensitivity, the loop shaping and the μ -
synthesis.
μ -analysis offers a criterion allowing us to compare and choose the best controller.
On the other hand, the complexity of the controller will be considered while choosing it.
Finally, we carry out a sensorless vector control by introducing and comparing two speed
and position estimation methods. The first method is the Model Reference Adaptive System
(MRAS) based on the comparison of two models describing our system reaching its speed via
an adaptation mechanism. The other method is a frequency estimator consisting on adding a
high frequency voltage component to the stator side then measuring its effect on the rotor
side; the actual mechanical speed could then be estimated via a numerical signal analysis. The
first approach is very sensitive to the parameters uncertainty but is simple to implement;
whereas, the second is completely independent of the motor parameters but has a high
computational cost.

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“Aucun homme ne peut rien vous révéler sinon ce qui repose déjà à
demi endormi dans l’aube de votre connaissance”
Khalil Gibran
“As far as the laws of mathematics refer to reality, they are not
certain; and as far as they are certain, they do not refer to reality”
Einstein
A la mémoire de mon père.
A ma famille.
A mes étudiants.
A tous ceux qui me sont chers.

AVANT-PROPOS
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été effectués au sein du laboratoire LEEI. Par
cette occasion même, je remercie M. Yvon CHERON, ancien directeur du laboratoire, et M.
Maurice FADEL, directeur actuel et ancien chef du groupe CODIASE, ainsi que M. Pascal
MAUSSION, chef actuel du groupe CODIASE, pour m’avoir si chaleureusement accueilli.
Au terme de ce travail, je tiens à exprimer ma profonde gratitude envers :
Mme. Maria PIETRZAK-DAVID, Professeur à l'Ecole Nationale Supérieure
d'Electrotechnique, d'Electronique, d'Informatique et d'Hydraulique de Toulouse et Directeur
du Département Génie Electrique et Automatique à l'ENSEEIHT, directeur de thèse, pour ses
qualités humaines en premier lieu, son attention et ses précieux conseils qui m’ont été très utiles pour
mener à bout cette thèse.
M. Bernard de FORNEL, Professeur émérite à l'Ecole Nationale Supérieure
d'Electrotechnique, d'Electronique, d'Informatique et d'Hydraulique de Toulouse, codirecteur
de thèse, à qui je voue tant d’estime et de reconnaissance pour sa grande expérience, sa disponibilité
très dévouée et surtout son support moral et professionnel.
M. Jean-Marie. KAUFFMANN, Professeur à l'Université de Franche-Comté à Belfort et
Directeur du Département LEES - Institut de Génie Energétique, pour l’honneur qu’il
m’accorde en présidant le jury de soutenance.
M. Luc LORON, Professeur des Universités à l’Ecole Polytechnique de l’Université de Nantes,
et M. Eric MONMASSON, Professeur à l'Université de Cergy-Pontoise, département IUP
GEII, pour l’intérêt qu’ils ont témoigné à ce travail et leurs jugements scientifiques en tant que
rapporteurs.
M. Ragi GHOSN, Professeur à l'Ecole Supérieure d'Ingénieurs de Beyrouth et directeur
du département d’électricité à l’ESIB, pour bien vouloir siéger au jury
J’associe à ces remerciements un regard particulier au personnel du laboratoire LEEI pour
m’avoir assuré les conditions les plus agréables de travail.
Finalement, je réserve une place singulière à toutes les personnes qui ont contribué, d’une façon
directe ou indirecte, continue ou ponctuelle, à l’achèvement de ce travail.