Commande sans capteur mécanique à basse vitesse d'une machine synchro-réluctante assistée d'aimants permanents et très basse tension

L'électrification du transport joue un rôle important dans la transition énergétique mondiale visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre. Les machines synchrones à aimants permanents (MSAP), souvent utilisées dans ce type d'application, jouent un rôle important grâce à leur rendement élevé, leur haute densité de puissance et leur compacité. La stratégie de commande adoptée dans ce type d'application vise à réguler précisément le couple, tout en optimisant l'efficacité énergétique. Cela nécessite des algorithmes de contrôle performant permettant une réponse dynamique rapide. En particulier, le pilotage de ces machines nécessite de connaitre avec précision la position du rotor. Les capteurs mécaniques de positions, souvent utilisés, sont performants mais présentent des inconvénients et augmentent le coût global du système. Présents généralement en bout d'arbre, leur intégration peut être compliquée, peut contraindre certaines fonctions comme le refroidissement du rotor et augmente le nombre de câbles entre la machine et l'onduleur. De plus, ces capteurs peuvent être sensibles aux perturbations électromagnétiques et présentent des risques de défaillances ce qui influence négativement sur la fiabilité du système. La commande sans capteur de position des machines électriques est une solution permettant en premier lieu de réduire les coûts associés aux moyens de pilotages tout en offrant un contrôle performant et dynamique. Enfin, elle offre une méthode redondante et permet d'assurer la continuité de fonctionnement en cas de défaillance du capteur mécanique lorsqu'il est utilisé. Dans ce contexte, cette thèse s'intéresse à la commande sans capteur des machines synchrones très basses tensions pour les applications de traction électrique et de mobilité douce. Ce type d'application exige de connaitre précisément la position électrique du rotor sur toute la plage de fonctionnement depuis une vitesse nulle et jusqu'à la vitesse maximale. L'estimation doit ainsi pouvoir couvrir les plages de « machine à l'arrêt », « très faibles vitesses » et « moyennes et hautes vitesses ». Les commandes sans capteurs mécaniques des machines synchrones reposent principalement sur l'acquisition de signaux électriques (courants et tensions) afin d'estimer la vitesse de rotation et la position électrique. Bien que ces méthodes soient efficaces à des vitesse moyennes et élevées, elles présentent des limitations à très faibles vitesses et à l'arrêt, où les amplitudes des signaux mesurés sont faibles voire inexistantes. Pour surmonter ces limitations, des injections de signaux hautes fréquences (HF) peuvent être réalisées, permettant d'extraire davantage d'informations sur le système piloté et ainsi identifier la position. Les performances de ces techniques dépendent du choix de la méthode d'injection ainsi que des amplitudes et fréquences des signaux HF utilisés. Cette thèse a mené une étude comparative approfondie de trois familles de méthodes d'injection : la méthode de la porteuse tournante, la méthode de la porteuse pulsée et celle de la porteuse carrée intermittente. Les résultats ont mis en évidence les performances supérieures de la méthode de la porteuse pulsée pour la commande des machines à basse tension et à faible saillance. Cette analyse théorique a été suivie d'une phase expérimentale sur banc d'essais, permettant d'examiner les différents paramètres influençant les performances d'estimation de la méthode de la porteuse pulsée. Par ailleurs, les résultats ont servi de base pour développer une méthode d'optimisation expérimentale visant à trouver le meilleur compromis entre la qualité de la position estimée et la réduction des perturbations induites par les injections, en particulier les oscillations de couple. Enfin, une implémentation expérimentale des injections optimisées a été réalisée afin de valider les améliorations attendues.