Thèse - Doc`INSA

N◦d’ordre 2007-ISAL-0086 Année 2007
Thèse
Commandes Directes Appliquées à une Machine
Synchrone à Aimants Permanents Alimentée par un
Onduleur Triphasé à Deux Niveaux ou par un
Convertisseur Matriciel Triphasé
présentée devant
L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
pour obtenir le grade de docteur
Ecole Doctorale EEA
Spécialité : Génie Électrique
par
Florent Morel
Soutenue le 6 décembre 2007 devant la commission d’examen
Jury
Jean-Paul Louis Professeur des universités Président
Maurice Fadel Professeur des universités Rapporteur
Jean-Paul Vilain Professeur des universités Rapporteur
Damien Flieller Maître de conférence Examinateur
Claire Valentin Professeur des universités Examinateur
Jean-Marie Rétif Professeur des universités Directeur de thèse
Xuefang Lin-Shi Maître de conférence Examinateur

INSA Direction de la Recherche - Ecoles Doctorales 2007
SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE
CHIMIE CHIMIE DE LYON
http://sakura.cpe.fr/ED206
M. Jean Marc LANCELIN
Insa : R. GOURDON
M. Jean Marc LANCELIN
Université Claude Bernard Lyon 1
Bât CPE
43 bd du 11 novembre 1918
69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone] Fax :
[email protected]
E.E.A.
ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE,
AUTOMATIQUE
http://www.insa-lyon.fr/eea
M. Alain NICOLAS
Insa : D. BARBIER
[email protected]
Secrétariat : M. LABOUNE
AM. 64.43 – Fax : 64.54
M. Alain NICOLAS
Ecole Centrale de Lyon
Bâtiment H9
36 avenue Guy de Collongue
69134 ECULLY
Tél : [phone] Fax : [phone]
[email protected]
Secrétariat : M.C. HAVGOUDOUKIAN
E2M2
EVOLUTION, ECOSYSTEME,
MICROBIOLOGIE, MODELISATION
http://biomserv.univ-
lyon1.fr/E2M2
M. Jean-Pierre FLANDROIS
Insa : S. GRENIER
M. Jean-Pierre FLANDROIS
CNRS UMR 5558
Université Claude Bernard Lyon 1
Bât G. Mendel
43 bd du 11 novembre 1918
69622 VILLEURBANNE Cédex
Tél : [phone] Fax [phone]
06 07 53 89 13
[e-mail]
EDIIS
INFORMATIQUE ET INFORMATION
POUR LA SOCIETE
http://ediis.univ-lyon1.fr
M. Alain MILLE
Secrétariat : I. BUISSON
M. Alain MILLE
Université Claude Bernard Lyon 1
LIRIS - EDIIS
Bâtiment Nautibus
43 bd du 11 novembre 1918
69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone] Fax [phone]
ediis @liris.cnrs.fr - [email protected].fr
EDISS
INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-SANTE
M. Didier REVEL
Insa : M. LAGARDE
M. Didier REVEL
Hôpital Cardiologique de Lyon
Bâtiment Central
28 Avenue Doyen Lépine
69500 BRON
Tél : [phone] Fax :
Didier[email protected]
MATERIAUX DE LYON
M. Jean Marc PELLETIER
Secrétariat : C. BERNAVON
83.85
M. Jean Marc PELLETIER
INSA de Lyon
MATEIS
Bâtiment Blaise Pascal
7 avenue Jean Capelle
69621 VILLEURBANNE Cédex
Tél : [phone] Fax [phone]
Jean-marc.P[email protected]
Math IF MATHEMATIQUES ET INFORMATIQUE
FONDAMENTALE
M. Pascal KOIRAN
Insa : G. BAYADA
M.Pascal KOIRAN
Ecole Normale Supérieure de Lyon
46 allée d’Italie
69364 LYON Cédex 07
Tél : [phone] Fax : [phone]
[e-mail]
Secrétariat : Fatine Latif - [email protected]yon1.fr
MEGA
MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE
CIVIL, ACOUSTIQUE
M. Jean Louis GUYADER
Secrétariat : M. LABOUNE
PM : 71.70 –Fax : 87.12
M. Jean Louis GUYADER
INSA de Lyon
Laboratoire de Vibrations et Acoustique
Bâtiment Antoine de Saint Exupéry
25 bis avenue Jean Capelle
69621 VILLEURBANNE Cedex
Tél :[phone] Fax : [phone]
[email protected]
SSED
SCIENCES DES SOCIETES, DE
L’ENVIRONNEMENT ET DU DROIT
Mme Claude-Isabelle BRELOT
Insa : J.Y. TOUSSAINT
Mme Claude-Isabelle BRELOT
Université Lyon 2
86 rue Pasteur
69365 LYON Cedex 07
Tél : [phone] Fax : [phone]
[e-mail]

À Peggy
Pour ton soutien inconditionnel
C’est pas une vie d’être un chercheur
Tout a déjà été trouvé
Même si j’dégotais le bonheur
On me dirait que ça existait
Pour faire la colle à cœur brisé
Le Soldat Rose
Louis Chedid,
Pierre-Dominique Burgaud
2006

Résumé
Un système électrotechnique, et plus particulièrement l’association d’un conver-
tisseur statique et d’une charge, constitue un système dynamique hybride. En effet,
un tel système peut être vu comme un procédé continu commandé par un modulateur
d’énergie ayant un nombre fini de configurations. Pour ces applications, afin d’obtenir
un contrôle performant de la position ou de la vitesse, il est nécessaire de maîtriser le
couple avec une dynamique très rapide. Dans ce document, nous nous intéresserons
uniquement à la commande du couple. Nous proposons des lois de commande qui
déterminent directement les configurations du modulateur d’énergie à utiliser afin de
poursuivre le plus rapidement possible les références des variables d’état continues du
système. Les contraintes de temps de calcul étant très sévères (quelques dizaines de
microsecondes), un modèle simplifié local permettant de prendre en compte le com-
portement de l’ensemble modulateur d’énergie - processus continu est utilisé. Diffé-
rentes stratégies de commande sont ensuite développées. Pour la première, après avoir
prédit le comportement du système sur un horizon donné pour chaque configuration
possible, diverses fonctions coût peuvent être utilisées pour choisir une configuration
adéquate qui sera appliquée pendant le cycle de calcul suivant. Pour la deuxième, plu-
sieurs configurations ainsi que leurs durées d’application respectives sont déterminées
lors de chaque occurrence de l’algorithme. Cette stratégie permet d’améliorer les per-
formances en régime permanent et de réduire les contraintes de temps de calcul. La
troisième méthode présente l’avantage de ne pas explorer toutes les configurations pos-
sibles en calculant directement les rapports cycliques (sur une période de calcul) des
éléments discrets du convertisseur d’énergie. Ceci simplifie l’algorithme et facilite son
implémentation en temps réel. Toutes ces démarches ont été validées expérimentale-
ment dans la première partie de ce document avec une Machine Synchrone à Aimants
Permanents (MSAP) pilotée par un onduleur triphasé à deux niveaux de tension.
La deuxième partie est consacrée à l’exploitation d’un convertisseur matriciel. Après
sa réalisation par nos soins, la première stratégie de commande est appliquée sur
l’ensemble MSAP - convertisseur matriciel. Les résultats expérimentaux confirment
l’efficacité de l’approche proposée. Cette méthodologie originale est exploitable pour
la commande de convertisseurs dont la structure est plus complexe.
Abstract
An electrotechnical system, and more particularly the association of a static
converter and a load, constitutes a hybrid dynamic system. Indeed such a system
can be seen like a continuous process controlled by an energy modulator having a
finite number of configurations. For these applications, in order to obtain a powerful
control of the position or speed, it is necessary to control the torque with a very fast
dynamics. In this document, we deal only with torque control. We propose control
laws which directly determine the configurations of the energy modulator to use in
order to track as soon as possible the references of the continuous state-variables of
the system. As the computing duration has to be very short (a few tens of microse-
cond), a local simplified model which takes into account the behavior of the whole
energy modulator - continuous process is used. Various control strategies are develo-
ped. For the first one, after having predicted the behavior of the system for a given
horizon for each possible configuration, various cost functions can be used to choose
an adequate configuration which will be applied during the next computation cycle.
For the second one, several configurations and their respective application times are
determined at each occurrence of the algorithm. With this strategy, performances
during steady state operation are improved and the constraint for calculation dura-
tion is reduced. The third method has the advantage of not exploring all the possible
configurations by directly calculating the duty cycles (over a calculation period) of the
discrete elements of the energy converter. This simplifies the algorithm and facilitates
its implementation in real time. All these methods were validated with experiments
in the first part of this document with a Permanent Magnet Synchronous Machine
(PMSM) controlled by a two-level three-phase inverter. The second part is devoted to
the use of a matrix converter. After its realization by ourselves, the first control stra-
tegy is applied to the whole matrix converter - PMSM. Experimental results confirm
the effectiveness of the proposed approach. This original methodology is exploitable
for the control of converters of with more complex structures.