Control strategy for a mono-inverter multi-PMSM system - Stability and efficiency

par Tianyi Liu

Thèse de doctorat en Génie Electrique

Sous la direction de Maurice Fadel.

Le président du jury était Georges Barakat.

Le jury était composé de Maurice Fadel, Georges Barakat, Demba Diallo, Mickaël Hilairet, Maria Pietrzak-David, Gaël Pons.

Les rapporteurs étaient Demba Diallo, Mickaël Hilairet.

  • Titre traduit

    Stratégie de contrôle d'un système multi-PMSM mono-onduleur - Stabilité et efficacité


  • Résumé

    Durant ces dernières décennies, le moteur synchrone à aimants permanents (MSAP) est devenu un actionneur essentiel pour les applications militaires, industrielles et civilesgrâce à ses avantages de haute densité de puissance, de rendement élevé, de grande fiabilité avec une structure simple, un faible volume et un poids réduit. Parfois, plusieurs MSAP sont utilisés pour effectuer des tâches coopératives. Par exemple le boggie d'une locomotive ou encore les surfacesde vol d'un avion. Ces MSAP fonctionnent généralement à la même vitesse. Pour réduire le volume et le poids, une idée de mutualisation des dispositifs de conversion statique, appelée système Multi-MSAP Mono-Convertisseur (MIMSAPMC), est proposée. Bien que de nombreux chercheurs aient déjà proposé différentes solutions de contrôle pour le système MIMSAPMC, la plupart d'entre eux ne garantissent pas la stabilité et l'efficacité énergétique du système. Ceci estdevenu le plus grand obstacle à l'utilisation pratique du MIMSAPMC. A cet effet et en commençant par un système MIMSAPMC avec 2 moteurs nous avons testé expérimentalement quelques stratégies de commande pour en vérifier la faisabilité et les performances. Sur la base des données mesurées, nous avons constaté que le problème de sur-contraintes existe dans certaines stratégies de contrôle. Ensuite, la synthèse d’une commande basée sur un modèle en régime permanent d'un système MIMSAPMC est réalisée. En étudiant le problème d'existence du régime permanent, nous formulons une procédure de conception de la structure de la loi de commande. En combinant la stabilité en boucle ouverte et la solution en régime permanent, nous définissons alors la région de contrôlabilité et de stabilité. La méthode des multiplieurs de Lagrange est ensuite utilisée pour formuler l'expression de l'état d'équilibre optimal en fonction ducouple et de la vitesse. L'expérience a montré que l'efficacité avec cette nouvelle loi de commande s’est considérablement améliorée. Dans le même temps, nous avons exploré l'influence de la variation des paramètres pour la stabilité du système et pour l'optimisation de l'efficacité. Ainsi, nous montrons que la variation paramétrique influence la zone de stabilité. Mais son influence peut être éliminée en utilisant la stratégie Maitre-Esclave. Par ailleurs, en ce qui concerne l'optimisation de l'efficacité énergétique, les résultats de simulation ont montré que la non-concordance des paramètres, en particulier le flux de l’aimant, peut entraîner une perte d'efficacité élevée. Dans la dernière étape, ce contrôleur est également adapté à un système MIMSAPMC avec un nombre de moteurs supérieurs à 2. Les résultats de la simulation démontrent alors l'efficacité de la proposition.


  • Résumé

    During these decades, Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) has become a vital part of military, industry and civil applications due to the advantages of high power density, high efficiency, high reliability and simple structure, small volume and light weight. Sometimes, multiple PMSMs are used to carry out cooperative functions. For example, the bogie of a locomotive, the flight control surface of an airplane. These PMSMs usually operates at the same speed. To reduce the volume and weight, an idea of sharing the static power conversion devices, which is called Mono-Inverter Multi-PMSM system (MIMPMSM), is raised. Although many researchers have given different controller solutions for the MIMPMSM system, most of them are not clear in the aspects of system stability and efficiency issues. This has become the biggest obstacle to the practical use of MIMPMSM. Oriented with these problems, starting with a MIMPMSM system with 2 motors, in the first step, we have tested some control strategies by an experiment to verify the feasibility and performance of them. In final, based on the experiment data, we have figured that the overconstraint problem exists in some control strategies. Then, an analysis and controller design based on steady-state model of a Mono-Inverter Dual-PMSM (MIDPMSM) system is carried out.By studying the solution existence problem of the steady-state model, we give out the design guideline to the controller structure. Combining the open-loop stability and steady-state solution, the region of controllability and stability is obtained. Lagrange Multiplier is used develop theexpression of efficiency-optimal steady-staterelated to torque and speed. The experiment has shown that the efficiency of the new controller has improved significantly. Meanwhile, we have explored the influence of parameter variation in system stability and efficiency-optimization. The variation will influence the stability region. But its influence can be eliminated by using Master- Slave strategy. On the other hand, in the aspect of efficiency optimization, the simulation results have shown that parameter mismatch, especially the permeant flux, can cause high efficiency loss. In the last step, this controller is also adapted to a MIMPMSM system with more than two motors. The simulation results demonstrate the effectiveness.


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