Commande Tolérante aux Défauts du Capteur Mécanique d une Machine Asynchrone dans une Chaîne de Traction d un Véhicule Electrique

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1 Coande Toléante aux Défaut du Capteu Mécanique d une Machine Aynchone dan une Chaîne de Taction d un Véhicule Electique A. Raieche (*), M. Boukhnife (*), C. aouci (*), D. Diallo (**) (*) aboatoie Coande et Sytèe Ecole Supéieue de Technique Aéonautique et de Contuction Autoobile (ESTACA) 34-36, ue Victo Hugo, 93 evalloi Peet, Fance. (**) aboatoie de Génie Electique de Pai, Univeité de Pai Sud, ue Joliot Cuie, Plateau de Moulon 99 Gif u Yvette, Fance. E-ail : oua.boukhnife@etaca.f Tél. : ; Fax : Réué : Cet aticle popoe une achitectue de coande toléante aux faute d un véhicule électique, afin de liite l ipact de défaut et d aue on fonctionneent en ode noal et en ode dégadé. Cette étude et enée dan le but de coande la achine aynchone avec un coecteu toléant aux faute ajoutant à cela un obevateu adaptatif pou la coande an capteu. Pou la validation de cette achitectue, nou avon pi en conidéation de défaillance au niveau du capteu écanique bien qu il exite pluieu type de défaut (actionneu, ytèe). Dan un peie ca, une défaillance du capteu et pie en copte avec la péence d un buit de eue u le capteu de la vitee. Dan le deuxièe ca, une défaillance coplète du capteu écanique et popoée. e éultat de iulation ontent que le coecteu toléant aux faute ejette le buit de eue iu du capteu d une anièe coecte et atifaiante copaant au coecteu claique PI où ce liite en obutee ont avéée. e éultat de iulation pou le deuxièe ca ontent que l obevateu adaptatif aive à etie et econtitue la vitee otoique de la achine aynchone.. Intoduction e développeent et la echeche dan le doaine de véhicule électique ont appau avec la pie de concience collective u le échauffeent cliatique. En effet le ecteu du tanpot et l une de pincipale caue dan l éiion de gaz à effet de ee. Ce contexte fait que le indutiel ont confonté au défi de éduction du Dioxyde de Cabone ejeté pa le véhicule theique []. Pou faie face à ce containte envionneentale, la olution technologique la plu poetteue ete la ubtitution du oteu theique pa un oteu électique. Cependant la chaîne de populion électique et conçue autou d un nobe ipotant de contituant (achine électique, capteu, convetieu de l électonique de puiance etc.) qui peuvent ête le iège d un nobe élevé de défaut. a détection et la localiation de ce défaut et indipenable ai pa uffiante pou aue la ueté et le fonctionneent en ode dégadé [7] [9]. Beaucoup de tavaux ont été ené dan le but de liite l ipact de ce défaut dan le chaîne de taction. Actuelleent, pou eédie à cetaine défaillance dan l indutie, la olution la plu utiliée et baée u la edondance atéielle, c et le ca de l indutie aéonautique, ai cette tatégie et tè onéeue avec la coplexité de a conception. e enjeux de concuence aini que le containte envionneentale incitent le indutiel à innove pou éduie le cout et aélioe la ueté. En effet de appoche de la coande toléante aux faute ont été popoée coe la dipoition paallèle de loi de coande (contôle vectoiel indiect, contôle vectoiel an capteu, contôle calaie an capteu et le contôle en boucle ouvete) chacune étant activée elon l aplitude du défaut capteu de vitee []. Une aute appoche et popoée dan le ca d une défaillance de capteu de la vitee en utiliant un algoithe de vote qui peet de choii ente le infoation iue de capteu, de l obevateu adaptatif ou du filte de Kalan [] []. Une aute appoche a été popoée pou faie face aux difféent défaut (couant, tenion et vitee) avec la econfiguation en ligne de loi de coande du couple électoagnétique dont l objectif et de peette aux véhicule d ête opéationnelle en péence de ce défaillance [3]. Note tavail incit dan l élaboation d une achitectue de coande toléante aux faute d une chaîne de taction

2 d un véhicule électique. Cette denièe, dipoe de pluieu ouce d énegie (PAC + Batteie), pluieu convetieu d énegie (Onduleu + Hacheu) et d une achine aynchone. Pa conéquent, la ynthèe de la coande toléante aux faute a pou but de liite l ipact de défaut du capteu écanique u le fonctionneent de note véhicule électique et d aue de pefoance atifaiante en ode dégadé. Dan cet aticle, la peièe ection et dédiée à la deciption de la chaine de taction électique uivie de la coande de la achine aynchone en ode an défaut. a econde patie péente la coande toléante aux faute en péence d un buit de eue et l utiliation d un obevateu adaptatif pou le ca d une défaillance coplète du capteu écanique. e éultat de iulation ontent l efficacité de la éthode popoée.. Péentation de la chaine de taction électique a chaîne de taction du véhicule électique et epéentée u la figue. Elle et copoée de deux pincipale patie à avoi la patie alientation du ytèe (ouce et tockage d énegie) et d une patie epéentant le ytèe de taction (l onduleu et la achine aynchone). Dan la patie alientation du ytèe, nou avon opté pou deux hacheu Boot uivant une tuctue paallèle, le peie et utilié pou la batteie et le econd pou la pile à cobutible. Pou note application, le oteu aynchone doit ête alienté pa une tenion de 54V d où la néceité d utilie un hacheu Boot (élévateu) pou la PAC et pou la batteie. Cette tenion continue founie pa la pile à cobutible et la batteie et convetie en tenion tiphaée pou aliente la achine aynchone tiphaée coe le onte la figue. Pou note application, nou avon utilié un onduleu tiphaé coandé pa la tatégie MI. Apè avoi péenté la patie de la conveion d énegie, on va intéee dan le paagaphe uivant à la odéliation du couple éitant et la coande de la achine aynchone de la patie ytèe de taction. A. Couple éitant à la oue : e couple éitant total à la oue et le poduit total de foce éitante (voi figue 3) pa le ayon ou chage du véhicule C é/ F é F F F R Figue 3. Repéentation du couple éitant Figue. a chaîne de taction électique Pou l alientation de véhicule électique, nou avon utilié l achitectue paallèle qui contient deux ouce de tenion utiliée pou l alientation du ytèe de taction (Figue ). a pile à cobutible a pou ôle l alientation de la chaîne dan le égie peanent. a Batteie (Batt) et aociée à la PAC pou founi la puiance lo de phae tanitoie, ai aui pou écupée l énegie de feinage [] [3]. Foce Aéodynaique : F ρ S C V avec : : Mae voluique de l ai Kg. S : Suface fontale du véhicule : Coefficient de pénétation de l ai du véhicule. V : Vitee linéaie du véhicule. Foce de éitance au ouleent : Cette foce dépend du pneu utilié, en effet la uface du pneu e défoe pou époue le apéité du ol. Chaque défoation povoque un échauffeent du pneu. 'énegie et aini pedue ou foe de chaleu. 9 % de la éitance au ouleent et lié à ce facteu. a foce de éitance au ouleent odéliée coe uit : F f M g co α Figue. Stuctue paallèle à deux convetieu Foce due à la pente : F M g in

3 avec : M: Mae du véhicule [kg] g : Accéléation de la peanteu. α: Angle de la pente [ad] f : le coefficient de éitance au ouleent B. Coande de la achine aynchone : Onduleu Tanfoation invee de Pak MAS C e odèle de la achine aynchone et donné coe uit : d q d q. X f ( x) + BU T X ( I, I, φ, φ, w ) et le vecteu d état. Découplage Coande Vectoielle T U ( v d, v q ) et le vecteu de coande di d R + R I + ω σi + dt σ d q T di q σ ω I R + R I pω dt σ d q dφ d I Φ + w Φ dt T d T d gl q dφ q I w Φ Φ dt T q gl d T q dω C C k ω dt J e f avec : C gl e w w w, q d σ, d q T R dθ w, dt p( I φ I φ ), w pw φ φ + φ d q Φ + pω d Φ + v q d Φ + Φ + v d T q q e pilotage de note oteu et éalié à l aide de la coande vectoielle indiecte à flux otoique oienté. a coande vectoielle indiecte pa oientation du flux otoique conite à éalie un églage de deux gandeu pincipale de la achine aynchone à avoi le couple et le flux avec le copoante du couant [4]. e odèle de la coande vectoielle utilié dan note ca et le uivant [5] [6]: i φ M i w w v R i w σ i v R i w i a figue 4 onte le chéa bloc de la coande vectoielle indiecte de la achine aynchone alientée pa un onduleu tiphaé. Un égulateu de vitee de type PI (K p +K i /S) et utilié pou le contôle de la vitee. En ipoant deux pôle coplexe conjugué ρ( ± ) en boucle feée et, j pa identification, nou obtenon le paaète du coecteu [5]: K ; K v it e e ( a d / S ) c o u p le ( N ) v i t e e ( a d / S ) c o u p l e ( N ) 3 5 Figue 4. Schéa bloc de la coande vectoielle. a vitee a vitee a vitee éfeence e couple Tep(S) 4 Figue 5. Siulation en égie noinal ɸ Wéf Régulateu de vitee Tep(S) Figue 6. Siulation avec défaut capteu. Réultat de iulation en ode an défaut Tep(S) Couant tatoique Dan cette iulation, on ipoe un pofil de vitee en toi étape qui coepond à un pofil éel d un véhicule électique (un déaage, une accéléation et à la fin une flu x ( W e b ) c o u a n t ( A ) e flux e flux e flux éféence Iq Id f l u x ( W e b ) c o u a n t ( A ) Tep(S)

4 décéléation). a peièe étape epéente 3% de la vitee noinale juqu'à t 3. a deuxièe étape epéente la vitee noinale de 34 ad/ juqu'à t6. a denièe étape epéente 6 % de la vitee noinale juqu'à t 9 (figue 5). e éultat de iulation ontent que l eeu de pouuite de vitee en égie peanent et quai nulle auf pendant la copenation du couple éitant à t4 avec une légèe diinution de a valeu avant qu elle e tabilie à la vitee de éféence. e couple oteu copene coecteent le couple éitant et pend la valeu de N à pati de t4. On contate de petite vaiation du couple dan le égie tanitoie. Réultat de iulation avec défaut Pou onte l influence de buit de eue u le fonctionneent de note ytèe, nou avon ajouté un buit de eue dan la boucle de égulation de la vitee apè un fonctionneent en ode an défaut où la égulation et auée pa un coecteu de type PI. a figue 6 onte que : / Pou t< 4, toute le gandeu uivent coecteent le éféence avec de dépaeent négligeable au niveau du égie tanitoie pou le flux otoique. / Pou t > 4, en péence de buit de eue le gandeu ne uivent plu le tajectoie de éféence avec de ocillation ipotante et de dépaeent inacceptable. De ce fait une égulation de type PI et liitée en tee de uivi de éféence et dan ce ca de figue, il ne peut plu aue la obutee et la tabilité de note ytèe. D où la néceité de la ynthèe d une coande toléante aux faute afin d aue un fonctionneent en ode dégadé en péence de ce type de faute (défaut capteu). Dan la peièe patie nou avon appliqué la coande toléante aux faute pou une défaillance du capteu écanique. a deuxièe patie, nou avon ynthétié un obevateu adaptatif pou la coande de note ytèe pou le ca d une défaillance totale de note capteu (coande an capteu). 3. Coande toléante aux faute On a contaté dan le éultat pécédent que le coecteu claique PI n aue pa la obutee et la tabilité de note ytèe en péence de buit de eue. En effet, cela peut ette le ytèe dan une ituation d intabilité voie dangeeue dan cetain ca. a coande toléante aux faute (FTC) e caactéie pa cet avantage qui et de peette au ytèe de fonctionne êe en péence de défaut qui peuvent affecte le difféent copoant [9]. achitectue FTC et égie pa de loi de coande, de capteu atéiel, logiciel et de pogae pilotent la logique de déciion dan le but de gaanti la tabilité et le pefoance du ytèe en péence de défaillance. Il y a deux appoche poible de la FTC : l achitectue paive et l achitectue active. appoche active contaieent à la éthode paive, intège un écanie pou la détection et le diagnotic de défaut pouvant affecte le ytèe. Un écanie de econfiguation active le coecteu toléant aux faute en ca de détection de défaut coe le onte la figue 7 [9]. Mécanie de diagnotic et de econfiguation Conigne a loi de coande Figue 7. Schéa de la coande FTC active. e pincipe de la oop Shaping et baé u l optiiation H qui et une appoche tè utiliée duant ce denièe année. Cette éthode contitue un oyen efficace dan la conception d un ytèe obute avec un tep invaiant [7] [8]. a oop Shaping e focalie u le tanfet de l eneble contitué d un ytèe et d un coecteu en boucle ouvete. Cette appoche et foulée en pluieu étape, tout d abod la éaliation du coecteu à l aide de fonction de pondéation W S, W S placée en éie avec le ytèe epectiveent en aont et en aval (figue 8). Ce fonction ont pou ôle de fixe la bande paante et d augente le gain en bae féquence afin de ejete le petubation et faie chute le gain en haute féquence pou aue la obutee face aux incetitude et aux buit. Dan la deuxièe étape, un coecteu K() et ynthétié afin d appote la tabilité et iniie la noe du tanfet ente le vecteu d enté et le vecteu de otie dan le but d avoi la obutee uffiante. Figue 8. Synthèe pa la éthode oop Shaping. Réultat de iulation U Détection et diagnotic de défaut Défaut Sytèe Afin de onte l efficacité de la coande toléante aux faute, nou avon utilié un capteu qui nou founit une eue buitée à pati de t5. e éultat de iulation de la figue 9 ontent que le coecteu H agit efficaceent face aux buit de eue. En effet à pati de t 5 le buit et additionné à la eue et à pati de t7 le coecteu H et activé, le buit et ejeté algé a péence dan la eue. Cela onte la obutee de ce coecteu face au défaut avec un écanie qui peet le baculeent ente la loi de coande claique (PI) et le coecteu toléant aux faute (oop Shaping). Dan la patie uivante, on conidèe la défaillance coplète du capteu. Pou cela, on ynthétie un obevateu adaptatif dan le but d etie la vitee otoique. Actionneu G(S Capteu y

5 Vitee Vitee éféence a foe aticielle de l obevateu adaptatif de uenbege et donnée pa l équation uivante : Vitee (ad/s) Flux (Web) Couple (N) équation dynaique de l obevateu de uenbege écit : x AΩx βu y Cx Pou l etiation de vitee, on va fixe la fonction de yapunov candidate. V Avec λ > et i ı, i ı,, On uppoe que : (φ φ ; φ φ ) Apè déivation de la fonction de yapunov candidate, on touve : A C β φ α Ω λ A C Ω Ω K α φ β Avec l étude de la tabilité dan [4]on touve : Ω λk φ φ Ω λk φ φ dt I d (A) Tep () e coefficient a pou but le églage de la dynaique de l obevateu dan le epèe tatoique. Pou augente la dynaique du ytèe de l etiateu pendant le égie tanitoie. On utilie un coecteu PI, en ajoutant un tee popotionnel à l équation pécédente. Figue 9. Réultat de iulation du coecteu toléant aux faute (FTC). 4. Coande an capteu écanique e écanie d adaptation etie la vitee à pati de eue et de gandeu iue de l obevateu. En patique, on utilie la otie de l etiateu de vitee coe entée de l obevateu adaptatif de uenbege (figue ). e églage de l etiateu de vitee e fait pa un iple coecteu PI pou avoi la vitee éelle [4]. Obevateu de uenbege Figue. Repéentation d un obevateu adaptatif de uenbege Schéa d adaptation Ω K φ φ K φ φ dt e églage de paaète du coecteu PI e fait d une anièe epiique. etiation peut ête oin buitée en égie peanent pa appot à la vitee de capteu écanique pa un choix judicieux de. Réultat de iulation : e éultat de iulation de la figue ontent que la econtuction de la vitee et adéquate et que l obevateu et obute pa appot à l intoduction du couple de chage. eeu d etiation ente la gandeu euée et etiée et acceptable. Dan la iulation de la figue, on uppoe que le capteu écanique ubit une défaillance totale et nou utilion l obevateu pou econtuie la vitee. On eaque d apè le éultat de iulation que l obevateu adaptatif épond d une anièe coecte au fait que le capteu écanique ait ubit une défaillance. a vitee a pu ête econtituée. On contate aui que le éultat ont poche de éultat obtenu avec de eue iue du

6 capteu écanique. e difféence ont viible au niveau du égie tanitoie avec un lége écat tatique au égie peanent au niveau de la vitee. 5. Concluion Dan cet aticle, nou avon onté l intéêt de la coande toléante aux faute (FTC) en e baant u l appoche oop Shaping pou le pilotage de oteu aynchone dan le chaîne de taction électique et on copoteent face aux défaut du capteu écanique. En effet, le éultat de iulation ontent l efficacité du coecteu toléant aux faute avec la econfiguation de la coande en ligne dotée d un écanie gaantiant au ieux le pefoance aini que la écuité du fonctionneent de la chaîne de taction du véhicule électique. utiliation de l obevateu adaptif pou le ca de la coande an capteu écanique donne de bon éultat et aue le fonctionneent du véhicule électique dan le ca d une défaillance coplète de capteu. Vitee euée (ad/s) Vitee etiée(ad/s) Eeu d'etiation (ad/ec) Vitee euée (a) (b) (c) Vitee éelle Vitee éféence Vitee etiée vitee éfeence Figue. (a) Vitee iue de capteu, (b) Etiation de vitee pa l obevateu et (c) l eeu d etiation v ite e ( a d /S ) c o u p le ( N ) Tep(S) Figue. Coande de la achine aynchone an capteu écanique 6. Réféence : Tep(S) [] G. Alix, Copaaion de concept de oteu dieel en vue de leu hybidation, Bilan de éiion co uivant l uage en véhicule, Thèe de doctoat, Ecole doctoale MEGA, 8. [] C. ay, J-M. ege, e pile à cobutible : application au véhicule électique, Jounal de Phyique III, Volue 4, janvie 994. [3] V. Mate, Conception optiale ytéique de copoant de chaîne de taction électique, Thèe de doctoat, Ecole centale de ille, 7. [4] D. Taoe, Coande non linéaie an capteu de la achine aynchone, Thèe de doctoat, Ecole centale de Nante, 8. [5] M. Boukhnife, Coande obute d'une achine aynchone alientée pa un onduleu ultiniveaux, Revue intenationale de génie électique, pp , 8. [6] M. Boukhnife, C. aouci, A. Chaibet, Robut Shaping Indiect Field Oiented Contol fo Induction Moto, Chapte book Mechatonic Syte Siulation Modeling and Contol, ISBN , Mach. [7] M. Boukhnife, A.Raieche, Fault Toleant Contol fo Induction Moto in Electical Vehicle, IEEE MSC- Confeence on Contol Application (CCA'), Octobe 3-5,, Dubovnik, Coatia. [8] A. Chaibet, Expeiental Paive Fault Toleant Contol fo Gyocope Syte, the t IEEE Mediteanean Confeence on Contol and Autoation, June 5-8, 3, Cete, Geece. [9] G. Didie, Modéliation et diagnotic de la achine aynchone en péence de défaillance, Thèe Univeité Heny Poincaé, Nancy-I, Octobe 4. [] D. Diallo, M. Benbouzid, A.Makouf, A Fault-Toleant Contol Achitectue fo Induction Moto Dive in Autootive Application, IEEE Tanaction on Vehicula Technology, Volue: 53, Iue: 6, Page(): , Novebe 4. [] A. Akad, M. Hilaiet, D. Diallo, Deign of a Fault- Toleant Contolle Baed on Obeve fo a PMSM Dive, flu x ( w e b ) c o u a n t( A )

7 IEEE Tanaction on Indutial Electonic, Volue: 58, Iue: 4, Page(): 46 47,. [ ] A. Akad, M. Hilaiet, D. Diallo, An obeve-baed echanical eno failue fault toleant contolle tuctue in PMSM dive, IEEE Intenational Electic Machine and Dive Confeence,, Page(): , Miai, USA, 9. [3] B. Tabbache, M. Benbouzid, A. Kheloui, J-M. Bougeot, Seno Fault-Toleant Contol of an Induction Baed Electic Vehicle, Powe electonic and application, Septebe. Rappot cyclique α.95 Vaiation de la tenion de otie U [V] Féquence de découpage F d [KHz] Tenion de otie de la Batteie U EBatt 38 V [V] Tenion de otie de la PAC U EPAC 4 V [V] Tenion de bu continu U 54 [V] Inductance hacheu PAC.3 [H] Capacité hacheu PAC C.8 [ F] Inductance hacheu Batteie. [H] Capacité hacheu Batteie C.9 [ F] Puiance noinale de MAS 7.5 [kw] Tenion noinale 3/4 [V] Vitee de otation noinale 34 [Rad/S] Réitance tatoique.68 [Ω] Inductance tatoique.5 [H] Réitance otoique.39 [Ω] Inductance otoique.74 [H] Inductance utuelle.68 [H] Moent d inetie. [kg ] Coefficient de fotteent. [N/d/] Nobe de paie de pôle Tableau : Paaète utilié pou le VE à échelle éduite.