Implantation sur cible FPGA de commande sans capteur mécanique à base de filtre de Kalman pour machines synchrones

The aim of this thesis is to present the interest of using Field Programmable Gate Array (FPGA) devices for the implementation of complex AC drive controllers. The case of a sensorless speed controller using the Extended Kalman Filter (EKF) has been chosen and applied to a SalientSynchronous Machine (SSM). The d-q model based on the infinite inertia hypothesis has been implemented. The corresponding EKF order is then equal to 4 and the complexity of the whole sensorless controller is equal to 700 arithmetic operations (more than 53% of multiplications). Thecontribution of FPGAs in this field has been quantified in terms of control performances and in terms of system integration.In terms of control performances, the proposed FPGA-based solution ensures a short execution time which is around 5μs (5% of the sampling period). This treatment fastness ensures a quasiinstantaneous control which improves the control bandwidth. To this purpose, a comparison with asoftware DSP-based solution is made. The dynamic behavior and the influence of the execution time, in both cases, on the control bandwidth have been quantified.In terms of integration capacity, it is possible to implement a generic FPGA architecture that can be adapted to the control of several systems. Thus, it is possible to develop a common EKF architecture that is able to estimate variables from many systems without affecting the control performances.In addition, a design methodology adapted to such complex controllers has been proposed. The particularity of this updated methodology, compared to the previous ones ([62], [63]), is to provide an enlarged set of steps starting from the preliminary system specification to the ultimateexperimentation. Optimization procedures have also been introduced. These optimizations are necessary in case of complex controllers and lead to the adequation between the developed algorithm and the corresponding hardware FPGA architecture.A state of the art FPGA technology is also presented. The internal structure of the recent devices and their corresponding technology are discussed. Their contribution in the field of AC drive applications is quantified. An in-depth presentation of the proposed design methodology is made. Besides, the development of a fully integrated FPGA-based controller for a Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) associated with a Resolver sensor is presented. This controller has been developed for an aircraft application where the main objective was to develop a fully integrated FPGA solution. The Actel Fusion FPGA device has been used. This device integrates an Analog toDigital Converter (ADC). The current controller, the Resolver Processing Unit (RPU) and the analog to digital conversion are implemented within the same device.When it comes to the sensorless controller, the corresponding chapters have been structured according to the presented design methodology: the preliminary system specification, the algorithm development, the FPGA architecture development and finally the experimentation. The latter includes Hardware-In-the-Loop (HIL) tests and the final experimental validation.L’objectif du travail réalisé dans le cadre de cette thèse est de montrer l’intérêt d’utiliser les FPGAs (Field Programmable Gate Array) comme support pour l’implantation d’algorithmes complexes dédiés à la commande de machines électriques. Pour ce faire, une commande sans capteurmécanique utilisant un filtre de Kalman étendu et basée sur FPGA est réalisée. Cette commande est destinée à piloter une machine synchrone à pôles saillants. Le modèle d-q de la machine basé sur l’approximation d’inertie infinie est implanté. L’ordre du Filtre de Kalman est donc égal à 4 et la complexité totale de la boucle de régulation est évaluée à près de 700 opérations arithmétiques (dont plus de 53% de multiplications). Les apports des solutions FPGAs en termes de performances de contrôle et en termes de capacité d’intégration sont quantifiés.En termes de performances de contrôle, il a été démontré qu’en utilisant de telles solutions matérielles, le temps de calcul est très réduit (de l’ordre de 5μs, 5% de la période d’échantillonnage). Cette rapidité de calcul permet d’avoir un contrôle quasi-instantané ce qui améliore la bande passantede la boucle de régulation. A ce sujet, une comparaison avec les performances obtenues avec une solution logicielle telle que le DSP est effectuée. Dans les deux cas, le comportement dynamique de la boucle de régulation sans capteur est quantifié.En termes de capacité d’intégration, il est possible de développer une architecture commune qui peut être adaptée à plusieurs systèmes. A titre d’exemple, il est possible de développer un filtre de Kalman sur un même FPGA capable d’estimer les grandeurs de plusieurs systèmes sans pour autant affecter les performances de contrôle.En outre, une méthodologie de développement dédiée à de tels algorithmes complexes est proposée. Il s’agit là d’une adaptation des méthodologies proposées dans des travaux de thèse précédents, [62] et [63]. En effet, une étape de spécification préliminaire du système ainsi que des procédures d’optimisation supplémentaires y sont introduites. Ces dernières sont particulièrement nécessaires dans le cas de commandes complexes et permettent une adéquation entre l’algorithme développé et l’architecture FPGA correspondante. De plus, cette méthodologie a été organisée de façon à distinguer l’étape du développement de l’algorithme et l’étape du développement de l’architecture FPGA.Un état de l’art sur les technologies FPGA est également proposé. La structure interne des FPGAs récents est décrite. Leur contribution dans le domaine de la commande des machines électriques est quantifiée. Les différentes étapes de la méthodologie de développement sont présentées.Le développement d’une commande numérique (basée sur FPGA) d’une machine synchrone à aimants permanents associée à un capteur de position Resolver est par la suite traité. Cette application s’inscrit dans un contexte avionique où l’objectif était d’avoir une solution FPGA hautement intégrée. Pour cela, le FPGA Actel Fusion est utilisé. Ce composant intègre un convertisseur analogique numérique. La commande, le traitement des signaux Resolver ainsi que la conversion analogique numérique sont implantés sur le même composant.En ce qui concerne la commande sans capteur basée sur le filtre de Kalman étendu, il a été décidé de structurer les chapitres correspondants à travers la méthodologie de développement proposée. Ainsi, la phase de spécification préliminaire du système, la phase du développement del’algorithme, la phase du développement de l’architecture FPGA et la phase d’expérimentation sont séparément traitées. Durant la phase d’expérimentation, la procédure «Hardware-In-the-Loop (HIL)» est incluse afin de valider le fonctionnement de l’architecture développée une fois la phase d’implantation physique achevée