Modelling and control of a 7-phase starter-alternator for an automotive micro-hybrid application
MODELISATION ET COMMANDE D'UN ALTERNO-DEMARREUR HEPTAPHASE POUR APPLICATION AUTOMOBILE MICRO-HYBRIDE
Résumé
This work deals with the study of a multiphase starter-alternator system, used for a micro-hybrid vehicle. This system is composed of a 7-phase claw-pole synchronous machine, with permanent magnets between the claws and fractional windings. It is supplied with a 7-leg Voltage Source Inverter (VSI).
In the first chapter, states of the art are given, firstly, about hybrid technologies in Automotive, then, about multiphase machines modeling methodologies, aiming at their control. A specific modeling, using the generalized Concordia transformation is pointed-out. Then, the concept of fictive machines is introduced. It has been developed at the L2EP laboratory, specifically to help the multiphase drive study. The Graphical description tool EMR (Energetic Macroscopic Representation), also developed at the L2EP, brings helps to represent the models, and offers a systematic way for the control structure design.
The second chapter deals with the extension of the models studied in the first chapter, initially developed for multiphase machines with non-fractional windings, smooth poles, and lack of magnetic saturation. This extension concerns the studied
machine, showing fractional windings, salient poles and magnetic saturation effects. Besides, a generic study, based on a harmonic analysis of the multiphase machines, allows highlighting the interactions between the structure and the control of the machine. At last, an original identification methodology is developed. It is specifically fitted to the low voltage multiphase drives characterization.
In the third chapter, two types of control schemes are compared: firstly in a square wave mode. Secondly, in a Pulse Width Modulation (PWM) mode, using controls of the currents associated with the fictive machines. Experimental measurements,
associated with numerical simulations, allow testing the developed models and the control methodologies. The benefits and the limits of both controls are pointed-out: The PWM control allows a better torque quality control, while the square wave control is cheaper to be implemented.
As a conclusion, the studied starter-alternator system offers simple hybrid functions, limiting the extra-cost due to the hybridization. The multiphase architecture allows increasing the system power. However, it is then necessary to reexamine the
classical design and control methodologies developed for 3-phase drives. This dissertation brings methodologies to facilitate these two steps for launching this kind of multiphase drive used in Automotive.
In the first chapter, states of the art are given, firstly, about hybrid technologies in Automotive, then, about multiphase machines modeling methodologies, aiming at their control. A specific modeling, using the generalized Concordia transformation is pointed-out. Then, the concept of fictive machines is introduced. It has been developed at the L2EP laboratory, specifically to help the multiphase drive study. The Graphical description tool EMR (Energetic Macroscopic Representation), also developed at the L2EP, brings helps to represent the models, and offers a systematic way for the control structure design.
The second chapter deals with the extension of the models studied in the first chapter, initially developed for multiphase machines with non-fractional windings, smooth poles, and lack of magnetic saturation. This extension concerns the studied
machine, showing fractional windings, salient poles and magnetic saturation effects. Besides, a generic study, based on a harmonic analysis of the multiphase machines, allows highlighting the interactions between the structure and the control of the machine. At last, an original identification methodology is developed. It is specifically fitted to the low voltage multiphase drives characterization.
In the third chapter, two types of control schemes are compared: firstly in a square wave mode. Secondly, in a Pulse Width Modulation (PWM) mode, using controls of the currents associated with the fictive machines. Experimental measurements,
associated with numerical simulations, allow testing the developed models and the control methodologies. The benefits and the limits of both controls are pointed-out: The PWM control allows a better torque quality control, while the square wave control is cheaper to be implemented.
As a conclusion, the studied starter-alternator system offers simple hybrid functions, limiting the extra-cost due to the hybridization. The multiphase architecture allows increasing the system power. However, it is then necessary to reexamine the
classical design and control methodologies developed for 3-phase drives. This dissertation brings methodologies to facilitate these two steps for launching this kind of multiphase drive used in Automotive.
Ces travaux de thèse traitent de l'étude d'un système alterno-démarreur polyphasé, pour une application automobile micro hybride. Ce système est composé d'une machine synchrone, à griffes, 7-phases, avec aimants interpolaires (entre les griffes), et bobinage à pas fractionnaire. Cette machine est alimentée par un onduleur de tension 7 bras. Le premier chapitre présente un état de l'art sur les véhicules automobiles hybrides, ainsi que sur la modélisation des machines électriques polyphasées en vue de leur commande. Les méthodes développées au L2EP, spécifiquement pour l'étude des machines polyphasées, sont utilisées. Elles sont basées sur la transformation de Concordia généralisée et utilisent la notion de machines fictives. Le formalisme graphique REM (Représentation Energétique Macroscopique), développé également au L2EP, apporte une aide pour la représentation du modèle, et permet de systématiser la définition des structures de commande du système. Le deuxième chapitre s'attache à examiner comment des modèles développés initialement pour les machines à bobinage non fractionnaire, à pôles lisses, et non saturées, peuvent s'étendre à la machine étudiée, à bobinage à pas fractionnaire, fonctionnant en régime saturé, et présentant des variations d'entrefer. Par ailleurs, une démarche générique, basée sur une analyse harmonique des machines polyphasées, est mise en place afin de mettre en évidence les interactions entre structure et commande. Enfin, une méthode d'identification adaptée aux machines polyphasées basse tension est développée. Avec le troisième chapitre, deux types de commande sont comparées : commande pleine onde, puis commande par Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI) utilisant des asservissements des courants associés aux machines fictives. Des essais expérimentaux, accompagnés de simulations numériques, permettent de tester les modèles proposés, puis les deux types de commande étudiés. On montre ainsi, pour le prototype considéré, les avantages et limites de chacune de ces commandes : les performances en terme de qualité de couple (vibration/bruit) associées à la rusticité de la commande pleine onde sont à mettre en balance avec la complexité (et le coût) d'une commande en MLI permettant une meilleure maitrise de la qualité du couple. Pour conclure, le système alterno-démarreur étudié offre des fonctions hybrides simples, en limitant fortement le surcoût lié à l'hybridation. L'architecture polyphasée permet d'accroitre la puissance du système, mais nécessite certaines précautions pour la conception et la commande de la machine électrique. Ce mémoire développe des méthodes pour faciliter conjointement la mise en œuvre de ces deux étapes, pour ce type de système automobile hybride.
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