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Dans le cadre d’un développement expérimental, la société Manakeen a réalisé un banc de test, appelé Slider, permettant de déplacer une caméra selon plusieurs axes et ce dans le but de développer des solutions innovantes pour former son personnel et constituer un ensemble de démonstrateurs techniques pour ses clients. 

L’objectif de ce travail de fin d’études consiste à réaliser et améliorer, via des simulations, le contrôle en élévation de ce démonstrateur. 

La solution actuellement utilisée consiste en un moteur synchrone à aimants permanents contrôlé par une commande vectorielle. Afin d'obtenir la position et la vitesse angulaire désirées, un contrôleur P-PI en cascade est implémenté par rapport à ces variables. Le système étant soumis à une inertie variable et à des couples de charge inconnus, ce contrôleur a démontré des performances limitées. 

Dans un premier temps, ce travail a consisté à mesurer ces performances pour des valeurs d'inertie et à trouver des gains de contrôleur adéquats pour les différentes valeurs rencontrées. Dans ce cadre, un banc de test permettant l'instrumentation nécessaire à cette tâche a été développé. 

La suite de ce travail a été dédiée à l'implémentation d'un modèle Simulink du moteur et du Slider. 
Tout d'abord, le modèle du moteur et du contrôle vectoriel a été réalisé et validé en utilisant les mesures expérimentales obtenues précédemment. Ce modèle a permis de simuler le comportement global du moteur et du contrôleur assez fidèlement. 
Ensuite, le modèle de l'axe d'élévation et de translation de la structure mécanique du Slider a été mis en place. Pour cela, un calcul cinématique a servi à définir l'inertie et le couple de charge ressentis par le moteur en fonction des consignes utilisées pour contrôler les deux axes. 

Grâce au modèle de l'ensemble du système, une étude de différentes méthodes de contrôle a pu être réalisée par simulation. 

Un premier contrôleur P-PI en cascade ressemblant à la solution actuellement utilisée a été développé afin d'obtenir une base de comparaison. Les performances faisant défaut, une méthode d'ordonnancement des gains a été utilisée comme deuxième méthode de contrôle pour adapter le réglage en fonction des variables du système influençant l'inertie et le couple de charge. Cette modification a offert une nette amélioration du résultat, bien que le suivi de la consigne était toujours accompagné d'une erreur. Celle-ci a finalement été réduite via l'implémentation d'un contrôleur feedforward qui s'est avéré être particulièrement performant lorsque les consignes présentent une accélération limitée.

La validité des contrôleurs proposés a pu être testée en simulation sur le modèle complet du Slider et une nette amélioration par rapport à la solution initiale a pu être mise en évidence.

Contrôle --- PID --- Feedforward --- Ordonnancement des gains --- Inertie variable --- PMSM --- FOC --- Ingénierie, informatique & technologie > Ingénierie mécanique

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Les moteurs à combustion interne ont aujourd’hui atteint leur maturité technologique. Augmenter
encore leur rendement devient désormais presque impossible. Or, afin de préserver la
Terre, les normes en terme de rejets de polluants doivent continuer à être de plus en plus sévères. En ajoutant à cela la raréfaction des carburants conventionnels, les constructeurs automobiles sont poussés à se lancer dans des projets innovants.
L’un d’entre eux consiste en la valorisation des gaz d’échappement. En effet, le rendement
d’un moteur thermique étant assez médiocre, même à son meilleur point de fonctionnement,
une quantité importante de chaleur se retrouve dans les gaz d’échappement qui chauffent donc
inutilement l’atmosphère. Par conséquent, une partie de cette chaleur pourrait être récupérée via
un cycle de Rankine. En plaçant un échangeur de chaleur sur la ligne d’échappement, on peut
faire évaporer un fluide et puis le détendre afin de produire un travail mécanique (directement
renvoyé sur l’arbre du moteur) ou électrique.
Néanmoins, plusieurs contraintes compliquent le développement de cette technologie : peu de
place pour installer un tel système, régimes moteur très transitoires, coût et poids supplémentaires...
De nombreuses études ont donc été menées ces dernières années et l’intérêt technologique
a tout de même pu être démontré. Quasiment tous les constructeurs se sont donc mis à développer cette technologie.
A cette fin, le développement de modèles prédisant de façon précise le comportement du cycle
de Rankine est nécessaire. Ainsi, ce travail a pour objectifs, premièrement, l’élaboration d’un
modèle dynamique de cycle de Rankine et, deuxièmement, le développement d’une stratégie de
régulation du cycle. Pour ce deuxièmement objectif, un PID adaptatif a été implémenté.
En testant le modèle développé sur deux cycles réels de camion, on a obtenu en moyenne
2% de réduction de carburant. Néanmoins, le modèle est encore améliorable et plus de 3% de
réduction moyenne peuvent aisément être atteints. Sachant que le rendement des moteurs stagne depuis de nombreuses années, une amélioration moyenne de 3% montre que cette technologie est extrêmement prometteuse.

Valorisation de chaleur résiduelle --- cycle de Rankine --- automobile --- modélisation dynamique --- contrôle --- PID adaptatif --- transport --- Volume fini --- Ingénierie, informatique & technologie > Energie

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This thesis brings a complete redesign to the power supply of an X-Ray fluorescence (XRF) spectrometer. 

XRF is the phenomenon in which an atom absorbs an X-radiation with a certain energy level and release another X-radiation with another energy level. Indeed, if the excitation source has enough energy, ionization can occur in the material and the atoms become unstable. To restore equilibrium, electrons from higher orbitals can fall to fill the gap by releasing energy (in the form of a photon) equal to the difference between the 2 orbitals involved. In an energy-dispersive spectrometer (EDXRF), the number and the energy of the incoming X-rays are measured and then sorted. A complete spectrum of the target can be obtained, and the atomic composition of the target determined.

The ALEXIS instrument is basically composed of 6 excitation sources, 1 detector and signal processing electronics. The excitation sources are pyroelectric crystals which are thermally cycled in order to have a continuous flux of X-Rays. The detector is a Silicon Drift Detector (SDD) which the actual state of art in EDXRF analysis. This technology needs to be cooled down by a Peltier element and must be polarized by a high negative voltage to drift the electron-hole pairs produced by the X-Rays impact to the collection electrode.

The first part of the thesis is dedicated to the design of a controller for a current source driving the Peltier cooler. The goal is to obtain a stable cold temperature of the detector chip during the measurements. In space applications, due to radiations, analog electronics is preferred to digital. That is why an analog PID controller has been implemented based on the temperature feedback coming from the SDD. The finality of this part is a series of simulations to tune PID parameters.

The second part of the work is the implementation of the thermal cycle of the sources. Two temperature thresholds determine if the source must be powered up or not and the 6 sources must work independently. In order to achieve this, an analog Schmitt trigger was designed on each source with a digitally controlled gain attenuator to control the output voltage. Final simulations give results very close to the real lab tests.

The last part of the project described the method to design a DCM Flyback converter. The goal is to generate negative high voltage from the rover power supply (28V) in order to generate the drift electric field in the SDD. A spreadsheet was created. It automatically computes the circuit parameters according to the input/output requirements. The conclusion is open-loop simulations performed to show the influence of the parameters. Future closed-loop design is just discussed.

EDXRF --- ALEXIS project --- Power supply --- Peltier cooling --- Analog PID controller --- Schmitt trigger --- DCM Flyback converter --- Ingénierie, informatique & technologie > Ingénierie électrique & électronique