Contribution to sensorless vector controlled permanent magnet synchronous machine (PMSM)

Contribution à la commande vectorielle sans capteur mécanique des machines synchrones à aimants permanents (MSAP)

Amor Khlaief (1)

1 ESCODI

This research focuses on the sensorless vector control of a salient pole permanent magnet synchronous motor (PMSM), particularly at low speed, with detection of the initial rotor position. In first step, an overview of the state of the art concerning the estimation of the rotor speed as well as the initial rotor position of PMSM is addressed. From such a study, we have adopted an interesting strategy based on the model reference adaptive system (MRAS). The second step in this research consists in studying the performances and the feasibility of a non-linear observer for closed-loop vector control of salient pole PMSM. The MRAS technique as well as the non-linear observer is associated to a vector control scheme based on the field oriented strategy with space vector pulse width modulation (SVPWM). To detect the initial rotor position, we have proposed a new approach which estimates the position with a resolution of 5 mechanical degrees. This new approach is based on applying short voltage pulses to the stator winding of salient pole PMSM. Several simulation and experimental results are presented to confirm the theoretical studies of the sensorless vector control of the salient pole PMSM drive. Finally, we have analyzed the performances of the sensorless speed fault tolerant control (FTC) of salient pole PMSM under failures related to the voltage source inverter (open circuit fault). The experimental results obtained based on the proposed techniques using nonlinear and MRAS observers have been improved in term of the reliability and allow a continuous operation of the salient pole PMSM drive even when it is supplied with two inverter legs. Indeed, the experimental results of the sensorless vector control of salient pole PMSM in degraded mode show that the nonlinear observer is best suited for this type of operation because it has low ripple torque and speed. The different approaches proposed in this researchhave been first tested by simulation and then experimentally verified on test-bench developed in the LSIS laboratory-Pôle Ecole Centrale Marseille. The results show the effectiveness of the implemented proposed sensorless vector control techniques of the salient pole PMSM drive in terms of robustness, stability, accuracy and time response

Ce travail de recherche s'intéresse à la commande sans capteur mécanique du moteur synchrone à aimants permanents (MSAP) à pôles saillants, particulièrement en basse vitesse, avec détection de la position initiale du rotor. Après une présentation des techniques et approches qui ont initié nos travaux, en terme d'estimation de la vitesse et/ou de la position, nous avons choisi celles qui présentent plus d'intérêt de point de vue stabilité, robustesse, précision et simplicité d'implémentation. La première approche est basée sur le Système Adaptatif avec Modèle de Référence (MRAS). Quant à la deuxième, elle est réalisée autour d'un observateur non-linéaire pour l'estimation de la position et de la vitesse du MSAP à pôles saillants. Les deux techniques d'observation de la vitesse sont associées à une commande par orientation du flux rotorique avec la technique MLI vectorielle. Pour détecter la position initiale du rotor, nous avons utilisé une nouvelle approche qui permet d'estimer cette position avec une incertitude de 5° mécanique. Cette nouvelle approche est basée sur l'application de signaux tests aux bornes des phases statoriques du MSAP. Des résultats de simulation et expérimentaux sont présentés tout au long de ces travaux pour valider les études théoriques de la commande vectorielle sans capteur mécanique du MSAP. Enfin, nous avons étudié et analysé les performances de la commande tolérante aux défauts sans capteur mécanique du MSAP en présence de défaillances de types transistors à l'état-off. Les résultats expérimentaux obtenus avec les deux approches d'estimation de la vitesse en utilisant l'observateur MRAS et un observateur non linéaire ont permis d'améliorer la fiabilité du système de manière à rendre possible la commande vectorielle sans capteur mécanique en mode dégradé (alimentation avec deux bras de l'onduleur). En effet, les résultats de la commande sans capteur mécanique de la MSAP en mode dégradé montrent que l'observateur non linéaire est le mieux adapté pour ce type de fonctionnement car il présente de faible ondulation du couple et de vitesse. A l'aide d'un banc d'essais que nous avons développé au laboratoire LSIS-pôle Ecole Centrale de Marseille (ECM), nous avons pu valider expérimentalement les différentes approches proposées dans ce travail de recherche. Les résultats obtenus montrent l'efficacité des techniques mises en œuvre pour la commande vectorielle sans capteur mécanique du MSAP à pôle saillant en termes de robustesse, stabilité, précision et rapidité.

Mots clés: Salient pole permanent magnet synchronous motor (PMSM); vector field oriented control (VFOC); space vector pulse width modulation (SVPWM); sensorless control; initial rotor position detection; model reference adaptive system (MRAS); nonlinear observer; fault signatures; fault tolerant control (FTC).

Mots clés: commande sans capteur mécanique; détection de la position initiale du rotor; Système Adaptatif avec Modèle de Référence; observateur non linéaire; signature de défaut; commande tolérante aux défauts.; commande tolérante aux défauts; Machine Synchrone à Aimants Permanents (MSAP) à pôles saillants; commande vectorielle; MLI vectorielle

Domaines: Energie électrique

Amor Khlaief. Contribution à la commande vectorielle sans capteur mécanique des machines synchrones à aimants permanents (MSAP). Energie électrique. Aix-Marseille Université, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00814276⟩