Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Département d'électricité (Laboratoire d'électronique industrielle LEI)

Modélisation et réglage d'un entraînement à haute performance par un moteur réluctant

Girardin, Michel ; Rufer, Alfred (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2000 ; no 2208.

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    Summary
    Usually, each phase of the direct reluctance motor is fed separately by its own inverter producing a squarewave phase current depending on the rotor position. In the present work, a star-connection of the three stator phases is used and the direct reluctance motor is fed by a three-phase switched inverter. The space phasor theory shows that three-phase sinewave currents can produce a constant electromagnetic torque. In this case, the rotating reference frame rotates at half of the rotor speed and in the opposite direction. This command strategy allows to reduce the stator deformation due to the electromagnetic radial force which is very high in this type of motor and which is mainly responsible for the acoustic noise. The electromagnetic torque control is realised by a sliding mode control of the three phase currents. In the rotating reference frame, it is possible to show that the eight commutation states of the switched inverter are placed around an ellipse in the complex plane of the derivatives of the space phasor of the phase current. A study of this ellipse has allowed to determine the maximal torque as a function of the speed for a given continuous voltage. It is important to insure that the torque reference will never exceed this limitation in order to avoid a pullout phenomenon, highly unwanted in the speed control. Despite the fact that the resolver inside the casing of the direct reluctance motor produces a small periodic error, it is accurate enough for the position measurement and to produce the three current references. However, the derivative of the position measurement provides a speed evaluation with such a ripple that the speed control cannot be outstanding. So, for the speed measurement, an additional laser rotary encoder is used. The experimental study in the steady-state mode of the speed control shows the presence of an electromagnetic torque ripple. This is a residual ripple caused by the dissimilarity between the stator poles teeth-shapes and the magnetic saturation effect. Although this torque ripple is rather low compared with the usual command strategy, two methods are proposed in order to compensate it. The first method is based on the use of a correction factor depending on the tooth angle. First, in steady-state conditions, the correction factor is stored off-line in a table. Then it is used in-line as a feedforward disturbance compensation. The second method of reducing the residual torque ripple consists in implementing an observer of variable disturbance. This is a disturbance observer able to determine the frequency content of the torque ripple. For instance, in order to observe the continuous component, the fundamental wave as well as the harmonics 2, 3, and 6, the observer must have ten poles. The main difficulty to deal with such an observer is the fact that each pole moves quickly as a function of the motor speed. So, in order to guarantee the observer stability over a large range of speed, the poles are located dynamically regarding to the motor speed by the way of a discontinuous adaptation of the feedforward coefficients. The theoretical study and the numerical simulation have allowed to formulate some criteria about the way of locating the poles. Experimental results confirm the efficiency of the observer of variable disturbance in order to reduce the electromagnetic torque ripple.
    Résumé
    La commande classique des moteurs réluctants consiste à alimenter séparément chaque phase par un variateur de courant continu unidirectionnel en imposant un courant de forme rectangulaire en fonction de la position du rotor. Dans ce travail, on connecte les trois phases en étoile, que l'on alimente par un convertisseur triphasé. La théorie à deux axes appliquée au moteur réluctant direct montre que l'on obtient un couple électromagnétique constant en l'alimentant par un système de courant sinusoïdal triphasé. Dans ce cas, il est judicieux d'utiliser un référentiel tournant à la moitié de la vitesse du rotor et en sens inverse. Cette stratégie d'alimentation permet notamment de réduire les contraintes mécaniques liées aux forces radiales qui sont très élevées dans ce type de moteur et qui sont en partie responsables du bruit acoustique. Le réglage du couple électromagnétique se fait indirectement à travers le réglage par mode de glissement des trois courants de phase. Dans le référentiel tournant, on peut montrer que les huit états de commutation de l'onduleur triphasé décrivent une ellipse dans le plan complexe de la dérivée du phaseur spatial du courant de phase. Une analyse approfondie liée à l'ellipse des états de commutation a permis de déterminer la caractéristique du couple maximal en fonction de la vitesse pour une tension continue donnée. Il faut veiller à ce que la consigne de couple ne dépasse jamais cette limite afin d'éviter le phénomène de décrochage du moteur réluctant, particulièrement indésirable en réglage de vitesse. Une analyse détaillée du capteur inductif intégré montre qu'il est suffisamment précis pour la mesure de position du rotor et la génération des consignes de courant. Cependant, lorsque l'on dérive la mesure de position, on obtient une vitesse entachée d'une erreur périodique ne permettant pas de garantir un réglage de vitesse performant. Ainsi, pour la mesure de vitesse, on a recours à un capteur incrémental laser rotatif. Les essais pratiques en réglage de vitesse en régime établi ont permis de mettre en évidence l'ondulation du couple électromagnétique. Il s'agit d'une ondulation résiduelle produite par la géométrie des dents et par la saturation magnétique. Bien que cette ondulation soit relativement faible par rapport aux résultats obtenus avec la commande classique, on propose deux méthodes permettant de la compenser. La première méthode est basée sur l'utilisation d'un facteur de correction enregistré dans un tableau en fonction de la position du rotor. L'enregistrement du facteur de correction se fait préalablement en régime établi. La deuxième méthode pour réduire l'ondulation résiduelle du couple électromagnétique consiste à implémenter un observateur pour perturbation variable. Il s'agit d'un observateur de perturbation permettant de déterminer le contenu fréquentiel des ondulations de couple. Par exemple, si l'on désire observer la composante continue, l'onde fondamentale ainsi que les harmoniques d'ordre 2, 3 et 6, l'observateur sera du dixième ordre et il faudra imposer dix pôles. La difficulté de mettre en oeuvre un tel observateur provient du fait que les pôles se déplacent très rapidement en fonction de la vitesse du moteur. Ainsi, pour garantir la stabilité de l'observateur sur une grande plage de vitesse, on a recours à une imposition dynamique des pôles en fonction de la vitesse du moteur par le truchement d'une adaptation discontinue des coefficients de contre-réaction. L'étude théorique et la simulation numérique ont permis de formuler quelques critères concernant le choix de l'imposition des pôles. Les résultats expérimentaux confirment l'efficacité de l'observateur pour perturbation variable dans la réduction des ondulations du couple électromagnétique.