s - UTC

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Avant propos
Le travail présenté dans ce mémoire a été réalisé au sein du laboratoire
d’électromécanique de Compiègne (LEC) sous la direction de Monsieur Jean Paul Vilain dans
le cadre d’une convention industrielle de formation par la recherche en collaboration avec la
société Valeo Systèmes Electriques sis à Créteil.
Je tiens tout d’abord à remercier très sincèrement mon directeur de recherche,
Monsieur Jean Paul Vilain, Professeur à l’Université de Technologie de Compiègne (UTC),
pour ses orientations fertiles, la grande confiance qu’il m’a accordée et la patience dont il a
fait preuve par sa disponibilité. Ses directives scientifiques m’ont été d’un apport précieux.
Qu’il soit assuré de ma profonde gratitude.
Mes remerciements les plus respectueux sont destinés à Monsieur G. Friedrich,
Professeur à l’UTC, pour m’avoir bien accueilli au sein du LEC et mis à ma disposition les
moyens du laboratoire et une partie de sa documentation.
J’exprime mes sincères remerciements à Monsieur Luc Loron, Professeur à l’Ecole
Polytechnique de l’Université de Nantes, pour avoir accepté de rapporter sur ce travail malgré
son calendrier très chargé.
Ma profonde reconnaissance est adressée à Monsieur Bruno François, HDR et maître
de conférence de l’Ecole Centrale de Lille (ECL), qui a bien voulu rapporter sur cette thèse.
Je le remercie de m’avoir initié à l’environnement dSpace et pour ses enseignements d’un
intérêt notable.
Mes vifs remerciements vont à Monsieur Christophe Forgez, maître de conférences à
l’UTC, qui m’a souvent encouragé, conseillé et aidé. Qu’il trouve ici le témoignage de ma
profonde reconnaissance.
Je tiens aussi à remercier chaleureusement Messieurs Philippe Masson et Luc
Kobylanski, ingénieurs de la société Valeo, pour leur suivi industriel, les moyens qu’ils ont
mis à ma disposition et pour les discussions enrichissantes que nous avons eues ensemble tout
au long de ma thèse.
Je n’oublierai pas d’exprimer ma sympathie à l’égard de mes collègues du laboratoire
d’électromécanique pour l’ambiance qu’ils ont su créer et entretenir. Un coucou particulier à
Patrice, Vincent, Stéphane, Aurélien, Anthony, Jérôme, CD et DVD.
Enfin, que tout ceux qui ont contribué, de près ou de loin, à l’aboutissement de ce
travail, trouvent ici l’expression de ma profonde gratitude.

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Table des matières
Introduction ……………………………………………………………………………….… 1
Chapitre I. Contexte et objectifs de l’étude
I.1 Contexte de l’étude 6
I.1.1 La machine :............................................................................................................6
I.1.2 Le convertisseur:......................................................................................................9
I.1.3 La source continue :...............................................................................................12
I.1.4 Espace couple-vitesse :...........................................................................................13
I.2 Objectifs de l’étude : Suppression du capteur de position 13
I.2.1 Cahier des charges de la détection de position :........................................................14
I.2.2 Méthodes sensorless rencontrées dans la littérature :.................................................14
I.3 Modélisation de la machine synchrone à rotor bobiné (MSRB): 17
I.3.1 Equations vectorielles de la MSRB : .......................................................................17
I.3.2 Equations ramenées au stator :................................................................................20
I.3.3 Modèle en flux de la machine synchrone : ...............................................................21
I.3.4 Fonctionnement alternateur en régime permanent synchrone à vide:..........................22
I.3.5 Prise en compte de la saturation : ............................................................................23
I.4 Conclusion : 25
Chapitre II. Détection de position à l’arrêt et identification paramétrique de l’induit de la StARS.
II.1 Effet de transformateur tournant: 27
II.1.1 Détection de position par comparaison entr'elles des fems induites:...........................29
II.1.2 Prise en compte du signe des fems induites:.............................................................34
II.1.3 Détection continue de la position du rotor à l’arrêt : .................................................36
II.1.4 Conclusion générale du paragraphe II.1:..................................................................42
II.2 Méthode d’identification des paramètres de l’induit de la MSRB: 42
II.2.1 Cas d’une machine à pôles lisses :...........................................................................42
II.2.2 Simulation.............................................................................................................45
II.2.3 Validation expérimentale :......................................................................................47
II.3 Conclusion : 49
Chapitre III. Démarrage de la StARS, détection de position à vitesse élevée et lois de commande.
III.1 Démarrage de l’alterno-démarreur synchrone: 51
III.1.1 Cas où l’information de position initiale est discrète:................................................51
III.1.2 Cas où la position initiale est connue avec précision :...............................................53
III.2 Autopilotage de la machine aux vitesses de rotation importantes: 54

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III.2.1 Détection de la position à partir de l’estimation des fems de rotation : .......................54
III.2.2 Simulation:............................................................................................................55
III.3 Commande du couple de la machine synchrone à rotor bobiné : 69
III.3.1 Cas d’une commande en courant :...........................................................................69
III.3.2 Cas d’une commande en tension : ...........................................................................61
III.4 Application à la commande de la StARS: 62
III.4.1 Comportement à forte vitesse :................................................................................62
III.4.2 Comportement à faible vitesse : ..............................................................................62
III.4.3 Synchronisation de la commande en tension sur les fems de la machine: ...................63
III.5 Recherche de lois de commande par simulation : 65
III.5.1 Calage ne faisant pas appel au calcul direct de la position :.......................................65
III.5.2 Calage faisant appel à l’information de position :....................................................68
III.5.3 Estimation de la vitesse à partir des fems:................................................................72
III.6 Conclusion 76
Chapitre IV. Détection de la position à basse vitesse
IV.1 Estimation de la position du rotor de la machine synchrone 80
IV.1.1 Estimation à partir des courants statoriques :............................................................80
IV.1.1.a Arrêt et basse vitesse : 80
IV.1.1.b Cas où la vitesse est importante : 81
IV.1.2 Estimation de la position du rotor à partir des flux statoriques :.................................81
IV.1.3 Observation de position utilisant un observateur d’état : ...........................................83
IV.1.3.a Le filtre de Kalman : 83
IV.1.1.b Exemple d’un modèle d’état de la machine synchrone : 84
IV.2 Simulation : 86
IV.2.1 Estimation de la position du rotor à partir des courants statoriques : ..........................88
IV.2.1.a. Commutation des courants de phase : 90
IV.2.1.b. Limitations : 91
IV.2.2 Estimation de la position du rotor à partir des flux statoriques:..................................92
IV.2.1.a. Correction par filtrage : 93
IV.2.3 Estimation de la position par un filtre de Kalman :...................................................95
IV.2.1.a. Application du filtre de Kalman sur des données expérimentales : 95
IV.3 Conclusion 97
Chapitre V. Expérimentation globale
V.1 Implantation sur DSP de la commande de la StARS : 100
V.1.1 Implantation de l’identification des paramètres de l’induit : ....................................100
V.1.2 Procédure de détection de la position à l’arrêt : ......................................................103
V.1.3 Implantation de l’estimation des fems à vitesse suffisante:.....................................104
V.1.4 Commande des modes de marche :........................................................................107

iv
V.1.5 Programmation sous «visual code composer studio» : ............................................110
V.1.6 Description du dispositif de commande réalisé :.....................................................111
V.2 Expérimentation: 111
V.2.1 Essai en alternateur à vide : ..................................................................................113
V.2.2 Essai d’un démarrage à vide : ...............................................................................115
V.2.3 Implémentation de l’estimation de position à faible vitesse :...................................116
V.2.4 Contrôle par dSpace :...........................................................................................121
V.2.5 Résultats des essais à basse vitesse :......................................................................123
V.3 Conclusion : 131
Conclusion générale ……………………………………………………………………………….… 137
Sigles
MSRB Machine Synchrone à Rotor Bobiné
MCC Moteurs à Courant Continu
PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor
MAS Moteurs Asynchrones
StARS Starter Alternator Reversible System
EMF ElectroMotive Force
Fem ou fem Force électromotrice
PWM Pulse Width Modulation
EEMF Extended ElectroMotive Force model
INFORM INdirect Flux detection by On-line Reactance Measurement
MRAC Model Référence Adaptive Control
Facp Fonctionnement avec capteur de position
Fscp Fonctionnement sans capteur de position
Table des principales notations
Chapitre I:
UDC Tension du bus continu.
im Courant dans le bus continu.
Cd Capacité de découplage à l’entrée de l’onduleur.
rbat Résistance de la batterie.

v
f1p, f2p, f3p Ordres de commande des Mosfets reliés à la borne positive de la source
continue.
f1n, f2n, f3n Ordres de commande des Mosfets reliés à la borne négative de la
source continue.
fk Fonction de connexion d’un semi-conducteur.
t
u
JJG= u
α + ju β
Vecteur tension délivré par l’onduleur.
Uuw , Uwv , Uvu Tensions composées aux bornes de la machine.
s
U Matrice colonne des tensions composées de la machine.
euw , ewv , evu Fems composées de la machine.
IU, Iw, IV Courants de lignes à la sortie de l’onduleur.
a Facteur complexe de rotation valant 23
j
e
π
.
()
2
21
3
t
maa= Matrice ligne de transformation vectorielle.
vas, vbs, vcs Tensions simples de la machine.
s
V Matrice colonne des tensions simples de la machine.
s
s
V
JG
=
s
s
v
α
+
s
s
jv
β
Vecteur tension simple de la machine.
Ias, Ibs, Ics Courants statoriques de la machine (couplage étoile).
s
I Matrice colonne des courants de la machine.
s
s
I
G
=
s
s
i
α
s
s
ji
β
+ Vecteur courant statorique.
ψ
as,
ψ
bs,
ψ
cs Flux statoriques de la machine.
s
s
Ψ
JJG=
s
s
α
ψ
+
s
s
j
β
ψ
Vecteur flux statorique.
s
Ψ Matrice colonne des flux statoriques de la machine.
d
ψ
, q
ψ
Flux statoriques direct et transverse.
md
ψ
,mq
ψ
Flux de magnétisation direct et transverse.
k1, k2 Coefficients d’équivalence.
Ns , Nf Nombres de spires au stator et au rotor.
f
V, '
f
V Tension d’excitation et sa valeur ramenée au stator.
f
ψ
, ψ ’f flux d’excitation et flux d’excitation ramené au stator.
Vd , Vq Tensions statoriques directe et transverse.
Id , Iq courants statoriques directe et transverse.
ed, eq Fems statoriques directe et transverse.
em , ec Valeurs maximales de la fem simple et de la fem composée.
θ Position angulaire électrique du rotor.
θ
m position angulaire mécanique du rotor.
ω Pulsation électrique de rotation de la machine.
Ω Pulsation mécanique de rotation de la machine.
Ce Couple électromagnétique.
Cr Couple résistant.
p Nombre de paires de pôles.
J Moment d’inertie de toutes les parties tournantes.
ρ Coefficient de frottement visqueux.
Lf Inductance propre de l’enroulement de champ.