Design of a fault-tolerant multiphase electric drive compatible with mass production
Conception d’un entraînement électrique polyphasé tolérant aux défauts, compatible avec la production en grande série
Résumé
Climate change is a reality and the most pollutant industries must adapt, such as the mobility sector. Vehicle electrification appears as one the lever to reduce emissions in this field. This evolution towards electric vehicles allow new architectures and the development of more autonomous functions. Relatively new applications appear such as steer or brake by wire, without any mechanical link between the driver and the actuation. Since these applications are directly linked to people safety, it requires a high level of reliability. If a fault occurs, electric drives must provide a minimum of functionality to enable the driver to park the vehicle safely. In case of fully autonomous vehicles applications such as truck platooning or autonomous vehicle fleets, it is interesting to keep functioning after one fault or more. However, standard three phase electric drives cannot fulfil these requirements. On the contrary, multiphase drives have already been investigated for naval or aeronautic applications, where reliability standards are high but volumes relatively low. That is why this thesis aims to develop a multiphase drive and its control to address automotive safety applications, considering industrialization and cost constraints.
First of all, reliability tools have been studied and applied in order to verify the reliability gains offered by multiphase drives. Despite an increase of the number of components, the existence of degraded modes, for which part of the function is kept, allows to improve the functional reliability. Multiphase drives control differs from three phase one, but could be seen as an extension of traditional d-q frame control, with additional considerations to keep in mind. An approach to compare different multiphase drives topologies, including both cost criteria and behaviors in degraded mode, has been proposed. At the end of the study a dual-five phase machine has been prototyped. This machine allowed to test various fault-tolerant control algorithms on a test bench. Thanks to a change on current references and the addition of an adaptive linear neural network in parallel of standard PI controllers, significant improvements have been achieved on the performances of drive after a fault occurrence. This thesis has highlighted the numerous constraints while designing a fault-tolerant drive and the importance of considering both motor and inverter. In particular, it is necessary to consider the whole drive limitations, both in healthy mode and in degraded mode, to maximize the level of functionally while minimizing the overall oversizing.
Le changement climatique est une réalité et les industries les plus polluantes, comme le secteur de la mobilité, doivent s’adapter. L’électrification des véhicules apparaît alors comme un des leviers à actionner pour réduire les émissions dans ce secteur. Cette évolution vers des véhicules plus électriques permet de nouvelles architectures et l’autonomisation de plus en plus de fonctions. De relativement nouvelles applications apparaissent, telles que le steer by wire ou le brake by wire, dans lesquelles il n’existe plus de lien mécanique entre le conducteur et les organes d’actionnement. Ces applications touchent directement à la sécurité des personnes et c’est pourquoi elles doivent avoir un haut niveau de fiabilité. Si un défaut apparaît, l’entraînement électrique doit pouvoir assurer un minimum de fonctionnement afin de permettre au conducteur de se garer en toute sécurité. Dans le cas de véhicules totalement autonomes, comme les convois de camions ou les flottes partagées, garder le même niveau de fonctionnement après l’apparition d’un ou plusieurs défauts est également intéressant. Néanmoins, les entraînements triphasés traditionnels ne permettent pas de répondre à ces exigences. A contrario, les entraînements polyphasés ont déjà été investigués pour des applications navales ou aéronautiques pour lesquels les exigences de fiabilité sont hautes, mais où les volumes sont relativement faibles. C’est pourquoi cette thèse vise à concevoir un entraînement polyphasé et son contrôle pour des applications automobiles sécuritaires, tout en prenant en compte des contraintes de coût et d’industrialisation.
Des outils d’évaluation de la fiabilité ont tout d’abord été étudiés et appliqués afin de vérifier le gain offert par les entraînements polyphasés. Malgré une augmentation du nombre de composants, la fiabilité fonctionnelle est améliorée à travers les modes dégradés qui permettent de conserver une partie de la fonctionnalité. Le contrôle d’un entraînement polyphasé diffère d’un contrôle triphasé, mais peut être vu comme l’extension du contrôle classique dans la base d-q, avec des éléments supplémentaires à considérer. Une approche de comparaison de différents entraînements polyphasés a été proposée, en incluant des critères relatifs au coût et au fonctionnement en mode dégradé. A l’issue de cette étude, une machine double pentaphasée a été prototypée et a permis de tester les différents algorithmes de commande après défaut. Les changements des références de courant et l’ajout de réseaux de neurones simple couche en parallèle des régulateurs PI, ont permis un gain significatif sur les performances de l’entraînement après défaut. Cette thèse a mis en évidence les nombreuses contraintes lors du dimensionnement d’un entraînement tolérant aux défauts, avec la nécessité de prendre en compte tant le moteur que son convertisseur. En particulier, il est nécessaire de prendre en considération les limites de l’entraînement complet, aussi bien en mode sain qu’en mode dégradé, afin de maximiser le niveau de fonctionnalité tout en minimisant le surdimensionnement.
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