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Theses Year : 2015

Signal injection and sensorless control of electrical motors

Injection de signal et contrôle "sans capteurs" des moteurs électriques

Pascal Combes
  • Function : Author
  • PersonId : 764112
  • IdRef : 192762729

Abstract

This thesis proposes an in-depth study of some aspects of "sensorless" control algorithms for electrical machines. Over the past few years, thanks to the progress made in electronics, "sensorless" control laws became a standard expected from any variable speed drive for any electrical motor. However low-speed "sensorless" operation of electrical motors is inherently difficult, due to a theoretical limitation explained here by an observability study. Signal injection is a promising solution to circumvent this limitation, but its effects are not yet fully understood. In particular, experimental results are not explained by traditional linear sinusoidal models for electrical motors.Hence a new modeling approach for electrical motors is proposed here. It is much simpler than the usual ones and explains thoroughly why saturation can be modeled in the nonphysical dq frame. Signal injection effects are then explained using a multiple time-scale approach and, when put into the general context of nonlinear systems, it turns out to be a technique which allows to obtain more information without adding sensors. Thanks to this additional information, sensorless control of electrical motor becomes theoretically possible, even though the implementation remains challenging due to industrial constraints. Models for the Synchronous Reluctance Motor and the Induction Motor at no load are designed using the proposed approach and calibrated on experimental data but the procedure failed for the Induction Motor under load due to a lack of measurements combined to hysteresis effects. Besides, thanks to the similarities between electrical motors, underlined by the proposed modeling approach, we are able to generalize the proof of a "sensorless" control law designed for Synchronous Reluctance Motors to any kind of Permanent Magnet Synchronous Motor.
Cette thèse propose une étude approfondie de certains aspects des algorithmes de contrôle "sans capteur". Grâce aux progrès faits en électronique, ces algorithmes sont devenus ces dernières années un standard que les clients attendent de tous les variateurs de vitesse pour tous les moteurs électriques. Cependant, le contrôle "sans capteur" des moteurs électriques à basse vitesse est particulièrement difficile à cause d'une limitation théorique expliquée ici par une étude d'observabilité. L'injection de signal est une technique prometteuse pour contourner ce problème, mais ses effets demeurent mal compris. En particulier le traditionnel modèle linéaire sinusoïdal ne permet pas d'expliquer les résultats expérimentaux. Par conséquent, on propose ici une nouvelle méthode pour modéliser les moteurs électriques. Elle est nettement plus simple que les approches traditionnelles et permet de justifier rigoureusement la modélisation de la saturation dans le repère dq fictif. Les effets de l'injection de signal sont ensuite expliqués grâce à une séparation des échelles de temps. Replacée dans le contexte plus général des systèmes non-linéaires, elle s'avère être une technique permettant d'obtenir des informations supplémentaires sans ajouter de capteur. Les informations ainsi obtenues permettent théoriquement le contrôle des moteurs électriques "sans capteur" à basse vitesse, mais la mise en œuvre de cette solution pour certains types de moteurs peut demeurer compliquée à cause de contraintes industrielles. On montre aussi comment les modèles proposés peuvent être calibrés expérimentalement pour le cas du Moteur Synchrone à Reluctance et du Moteur à Induction sans charge. À cause du manque de mesures et d'effets liés à l'hystéresis dans les matériaux ferromagnétiques, on n'a malheureusement pas réussi à obtenir un modèle expliquant le comportement du Moteur à Induction en charge. Par ailleurs, grâce à la similarité entre les moteurs électriques mise en évidence par l'approche de modélisation proposée ici, on a pu concevoir une loi permettant de contrôler aussi bien un Moteur Synchrone à Reluctance que n'importe quel Moteur Synchrone à Aimants Permanents.
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Dates and versions

tel-01306275 , version 1 (22-04-2016)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01306275 , version 1

Cite

Pascal Combes. Signal injection and sensorless control of electrical motors. Automatic Control Engineering. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2015. English. ⟨NNT : 2015ENMP0053⟩. ⟨tel-01306275⟩
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