Performance improvements on rotor position sensored and sensorless FOC of PMSM intented for EV propulsion applications

Résumé

Les travaux de recherche divulgués dans cette thèse portent sur l'amélioration de la commande à flux orienté (CFO) avec et sans capteur de position du rotor dans les Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) destinées aux applications de propulsion de Véhicules Électriques (VÉ). Trois contributions principales ont été faites à ce sujet. Les détails de ces contributions sont les suivantes. La première contribution est le développement d'un nouvel algorithme basé sur des approximations polynomiales (AP) pour une compensation efficace de l’erreur de position dans des encodeurs analogiques magnétiques (EAM) utilisés dans les MSAP pour la traction des VÉ. L'algorithme AP proposé a besoin d’un espace négligeable de mémoire par rapport à une Table de Consultation (TC) à très haute résolution. L'utilisation de polynômes permet de compenser toutes les positions d'entrée possibles du rotor sans effectuer une interpolation ou un arrondissement à la valeur quantifiée la plus proche. De plus le fait de déduire les coefficients polynomiaux à partir d'une procédure de calibration est un avantage, car cela évite d'utiliser un capteur de position précis et à haute résolution pour des fins de comparaison et de calcul de l’erreur. L'algorithme AP a été implanté pour fonctionner en temps réel dans un système d'asservissement de TM4 de VÉ en asservissant un MSAP de 80 kW. La performance de l'algorithme a été validée à 6000 et 9000 tr/min sous un couple de +85 et ±55 Nm, respectivement. Les effets d'interférence électromagnétique (IEM) ont été minimisés en utilisant une boucle à verrouillage de phase (BVP) de type 2. L'algorithme AP proposé assisté par la BVP est capable de réduire l'erreur totale de position à une plage aussi petite que ±0.2 degrés mécaniques. Cette erreur a été mesurée en régime permanent. Cependant, les transitoires de l'opération de la MSAP ne détériorent pas la compensation obtenue étant donné que les seuls paramètres entrés dans l'algorithme AP sont les échantillons de tension des signaux sinus et cosinus provenant de l’encodeur non compensé et ils sont indépendants du point de fonctionnement de la machine. La combinaison de l’algorithme AP et le BVP de type 2 est une solution prometteuse pour compenser l'erreur de position des EAM à faible coût, donc permettant d’accomplir une commande à flux orienté de haute-performance dans les MSAP pour des applications de VÉ. Les caractéristiques de haute-performance de ce système d'asservissement pour la MSAP sont la production de : 1) Un couple moyen avec une petite plage de plausibilité pour réduire la variation de couple 2) Un couple maximal avec des courants statoriques optimaux afin d'éviter de gaspiller l'énergie de la batterie et ainsi étendre l'autonomie du véhicule et 3) Une petite génération des ondulations de couple pour maximiser la courbe couple-vitesse. En réduisant les oscillations de couple, les ondulations de tension produites dans le bus de CC deviennent plus petites et les variations du courant de défluxage sont réduites, de sorte que le pourcentage d'utilisation de la tension du bus de CC augmente et la vitesse de base ainsi que la vitesse de fonctionnement maximale sont également étendues. Plus la précision du capteur de position du rotor est élevée, plus les ondulations de tension, de courant et de couple sont faibles et donc plus proche à la capacité totale et fonctionnement optimal de la machine et du système d'asservissement. La deuxième contribution est la modélisation et l'analyse des effets de l'erreur de position du rotor dans la performance de la commande à flux orienté des MSAP pour des applications de VÉ. Un accent particulier est mis sur les ondulations de couple qui sont générées tout au long des trajectoires caractéristiques dans les différentes régions d’opération de la MSAP. Un modèle étendu et généralisé pour les ondulations de couple produites par la MSAP en fonction de l'erreur de position du rotor a été déduit analytiquement. Un système d'asservissement pour une MSAP – montés à l'intérieur (MI) à vitesse infinie et un système d'asservissement pour une MSAP – montés en surface (MS) à vitesse finie ont été considérés pour les simulations réalisées dans MATLAB-SimPowerSystems. Les résultats expérimentaux ont été validés avec un système d'asservissement de TM4 pour VÉ en asservissant un MSAP de 80 kW. Les ondulations de couple ont été évaluées pour les modes de fonctionnement de moteur et de freinage régénérative sous des conditions de couple maximal variant de 100 Nm à 1000 tr/min jusqu’au 55 Nm à 9000 tr/min. Les résultats de simulation et expérimentaux obtenus démontrent la bonne précision du modèle proposé pour l'évaluation des ondulations de couple produites dans les MSAP à cause de l'erreur du capteur de position du rotor. Les résultats de simulation ainsi qu’expérimentaux obtenus à partir de l’analyse dans les domaines du temps et de la fréquence montrent que l'influence de l'erreur de position du rotor est beaucoup plus significative dans la génération des ondulations de couple que d'autres causes telles que l'imprécision du capteur de courant, l’effet FWL, la résolution limitée de la MLI, la commutation MLI, le temps mort de l'onduleur, la résistance asymétrique des phases statoriques, l'effet d’encochage et la densité non sinusoïdal du flux d’entrefer. La compensation de l'erreur du capteur de position rotative monté sur la MSAPMS de 80 kW de TM4 a également permis de réduire le pourcentage équivalent des ondulations de couple à un intervalle compris entre 1% et 3% pour toute la plage opérationnelle de vitesse de la machine travaillant sous un couple maximal symétrique en tant que moteur ainsi que comme génératrice. Grâce à la modélisation des ondulations de couple et à l'algorithme de compensation de l'erreur de position du rotor basé sur les AP, la condition de limite maximale de 5% exigée pour les systèmes d'asservissement des MSAP de VÉ à haute performance a été évaluée et accomplie avec succès. La troisième contribution est la mise en place de deux nouveaux algorithmes basés sur l’injection d’une signal de tension avec une fréquence de la moitié de celle de commutation (ITMFC) pour effectuer la commande à flux orienté (CFO) sans capteur de position du rotor dans les MSAP destinées à la propulsion de VÉ. Les algorithmes de démodulation ITMFC rotative et pulsative proposés n’ont pas besoin de mesures ou d'approximations de tension pour estimer l'angle de position du rotor. Les algorithmes proposés ITMFC basés sur la modulation de largeur d'impulsion (MLI) ont été comparés quantitativement et qualitativement par des simulations en MATLAB-SimPowerSystems ainsi qu'expérimentalement par rapport aux deux approches classiques d'injection de signal de haute fréquence (ISHF) basées sur la modulation vectorielle spatiale (MVS). Une MSAP de 2.5 kW avec les aimants insérés radialement dans le rotor a été utilisée pour évaluer et valider expérimentalement l'analyse de la performance ainsi que la comparaison des quatre algorithmes complètement implantés pour fonctionner en temps réel dans un processeur numérique de signaux (PNS) TI C2000. Les résultats obtenus avec une MSAPMI de 80 kW destinée à la propulsion de VÉ montrent également que les algorithmes proposés permettent une meilleure performance du contrôle de la machine en termes d’une génération plus faible des ondulations de couple et d'une boucle de régulation de courant plus rapide. L'utilisation des techniques ITMFC rotative et pulsative proposées pour estimer la position du rotor dans la plage de basse vitesse et à la condition d'arrêt peut ainsi contribuer positivement à l'amélioration de la tolérance-aux-pannes et de la fiabilité dans les systèmes d'asservissement des MSAP de traction pour des véhicules électriques légers et lourds (VELL). L'algorithme de compensation proposé basé sur des approximations polynomiales, la procédure de calibration conçue, le modèle étendu et généralisé développé pour évaluer les ondulations de couple produites par la MSAP en fonction de l'erreur de position du rotor ainsi que l'étude réalisé sur la performance de deux nouveaux algorithmes de démodulation ITMFC proposés pour effectuer la CFO de la machine sans capteur de position du rotor constituent un important pas en avant dans le domaine des systèmes d'asservissement des MSAP. Le développement de la théorie et des équations qui soutiennent les algorithmes proposés ainsi que les résultats de simulation et expérimentaux obtenus à l'ÉTS et à TM4 avec les MSAP de 400 W, 2.5 kW et 80 kW constituent une archive précieuse pour les futurs travaux dans ce sujet.

Date	13 mars 2017
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ambrish Chandra (Directeur(-trice))