SOUTENANCE DE THESE
3/02/2015
GEOFFRIAULT Maud 3/02/15 Centrale Supélec à 14h.

 
SUJET :  Réduction active des vibrations et des bruits d’une machine électrique par la stratégie de commande
Active reduction of vibrations and noise of an electrical machine using control strategies Thèse préparée à : Supélec – EA 4454 E3S – département

Directeur de Thèse Emmanuel Godoy
SOUTENANCE DE THESE AYANT POUR JURY :
(indiquer les noms par ordre alphabétique)
Michel Basset
Dominique Beauvois
Demba Diallo
Gwennaël Favennec
Emmanuel Godoy
Mickaël Hilairet
Louis Humbert
Vincent Lanfranchi

RESUME

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le contexte du développement de groupes motopropulseurs électriques pour véhicules automobiles. Ces développements ont mis en lumière de nouvelles problématiques, parmi lesquelles celles liées aux phénomènes vibratoire et acoustique. L’objectif de cette thèse est de compléter la loi de commande d’une machine synchrone à rotor bobiné avec les lois dédiées à la réduction de ces bruits et vibrations.
L’état de l’art a mis en évidence les différentes sources de bruit des véhicules électriques dont en particulier le bruit d’origine électromagnétique, prédominant à basse vitesse. Les sources de ce type de bruit sont :
- mécaniques, par la structure de la machine ;
- électriques, par les courants circulant dans les différents bobinages de la machine.
Plusieurs méthodes de réduction des bruits et vibrations peuvent alors être envisagées : en agissant sur la structure de la machine, sur l’électronique de puissance permettant de l’alimenter ou directement sur les courants.
Au vu de l’état de l’art, la méthode retenue a été la mise en place de lois de commande agissant sur les harmoniques de courant à un point de fonctionnement donné, ces harmoniques étant responsables de vibrations par l’excitation des modes propres de la machine et de la structure du groupe motopropulseur.
Dans un premier temps, les phénomènes mécaniques à l’origine des vibrations du stator de la machine ont été modélisés. Cela a permis de visualiser la réponse du stator à une excitation d’origine électromagnétique et de déterminer ses fréquences propres.
Le modèle électrique de la machine a également été exposé afin de d’établir les modèles d’identification et de synthèse des lois de commande spécifiques aux problèmes vibratoires. Le référentiel dans lequel ce modèle est établi, le repère tournant de Park, induit des changements au niveau du contenu harmonique des grandeurs étudiées. Ce contenu harmonique ainsi que son lien avec celui des vibrations a été étudié. Cette étude, couplée à une étude expérimentale du moteur, a montré que l’harmonique de courant à limiter au point de fonctionnement choisi est l’harmonique 6, qui correspond à l’harmonique vibratoire 12. Cette réduction du niveau de l’harmonique vibratoire 12 doit se faire sans augmentation du niveau des harmoniques d’ordre supérieur et en particulier de l’harmonique vibratoire 24.
La régulation principale de la machine électrique en couple et en courant, qui permet d’interpréter la volonté du conducteur lors d’un appui sur la pédale d’accélération ne fait pas l’objet de ces travaux. Son fonctionnement a néanmoins été présenté et caractérisé, puisque la mise en place de la loi de commande dédiée aux vibrations ne doit pas en modifier les performances, notamment en termes de bande passante.
Afin de valider le modèle de synthèse de la loi de commande dédiée aux vibrations, une identification du modèle électrique au point de fonctionnement choisi a été menée. Celle-ci s’appuie sur :
- des mesures expérimentales effectuées sur banc vibratoire, avec les limitations inhérentes à de telles mesures (retards, fréquence d’échantillonnage, saturations) ;
- des méthodes d’identification classiques de l’Automatique : méthode des moindres carrés, méthode de la variable instrumentale et méthode des moindres carrés généralisés.
Cette identification a permis de valider que les réponses fréquentielles des modèles obtenus sont cohérentes avec les réponses fréquentielles attendues au vu du modèle nominal. Elle a également permis de mettre en lumière des variations de paramètres par rapport au modèle nominal, notamment des variations de résistance des bobinages qui s’avèrent plus élevées, induisant un amortissement plus important des résonances présentes dans les réponses fréquentielles de la machine.
Plusieurs stratégies de commande visant à limiter l’harmonique 6 de courant ont ensuite été mises en place. La première stratégie s’appuie sur un régulateur dédié, synthétisé par optimisation H-infini, agissant en parallèle de la régulation principale. La difficulté de cette approche réside dans le réglage des fonctions de pondération, qui reste délicat.
La deuxième stratégie s’appuie sur une modélisation de l’origine de cet harmonique de courant à partir d’un signal perturbateur externe intervenant en amont de la machine. Ce signal perturbateur, non mesuré, est estimé au moyen d’un observateur puis compensé. Cette stratégie conduit à de meilleurs résultats théoriques en termes de réduction des vibrations, cependant la synthèse de l’observateur sans prise en compte de la compensation conduit à un moindre degré de stabilité du système et à ne mettre en place qu’une compensation partielle.
La synthèse de ces lois de commande a été complétée par une analyse de robustesse permettant de mettre en évidence la stabilité et la robustesse vis-à-vis d’incertitudes paramétriques de la machine du régulateur calculé par synthèse H-infini. Le système bouclé par la stratégie de compensation présente quant à lui une moindre robustesse vis-à-vis des variations des valeurs d’inductances de la machine.
Ces deux stratégies ont été testées expérimentalement sur banc vibratoire, permettant ainsi de démontrer leur efficacité pour la réduction de l’harmonique de courant et de l’harmonique vibratoire visés, sans augmentation d’autres harmoniques vibratoires. Le niveau de l’harmonique vibratoire 12 a en effet été diminué d’environ 10dB. Ces essais ont également permis de confirmer les analyses de stabilité et de robustesse effectuées.