Cerisic

Conception et optimisation d’architectures multi-onduleurs multi-moteurs pour applications satellites
First Haute Ecole SATHIMM (n° 171008)

Description

A bord des satellites, les systèmes d’orientation des panneaux photovoltaïques et des antennes font un grand usage des moteurs pas-à-pas. Ceux-ci présentent en effet les performances requises par ce type d’application. Actuellement, la fiabilité de ces systèmes est assurée par une redondance classique, en dédoublant les enroulements moteurs et les onduleurs de puissance. Une moitié du système reste inactive en situation normale et prend le relai en cas de pannes. Cette approche, bien que robuste, a l’inconvénient de multiplier le nombre d’onduleurs nécessaires (2 onduleurs par moteur). De plus, elle est peu efficiente, une moitié du système restant en effet constamment inactive par redondance simple.

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Illustration des antennes et panneaux solaires d’un satellite.

Dans un autre contexte, la littérature scientifique présente des topologies « multimoteurs / multi-onduleurs », également baptisées « Half-bridge Inverter Multi Motor » ou « HIMM ». Le « HIMM » consiste à piloter plusieurs moteurs polyphasés connectés en série au moyen d’un seul onduleur polyphasé. Par une connexion judicieuse des phases moteur entre elles, l’algorithme de contrôle peut piloter indépendamment chaque moteur, sans perte de degrés de liberté.

Dans le cadre des développements autour du futur lanceur européen Ariane 6, le partenaire industriel, Thales Alenia Space Belgium, met actuellement en oeuvre des onduleurs « tolérants aux pannes ». Ces onduleurs présentent une fiabilité élevée et tous ses composants sont utilisés en situation nominale. Ce type d’onduleurs n’a encore jamais été mis en oeuvre dans le cadre d’applications satellites sur base de moteurs pas à pas.

Objectif

L’objectif du projet SATHIMM est d’optimiser le système de commandes des moteurs pas-à-pas des panneaux solaires et des antennes de satellites en pilotant ces moteurs polyphasés connectés en série au moyen d’un seul onduleur polyphasé, tout en respectant les contraintes de tolérances aux pannes, ce qui n’a jamais étudié auparavant. En particulier, le projet vise une topologie permettant le contrôle indépendant de 5 moteurs (2 panneaux et 3 antennes). La conception de cette topologie tiendra compte aussi bien du design des moteurs (nombre et arrangement des enroulements) comme celui des onduleurs (topologie de l’onduleur et amplitude des courants à fournir). Le but recherché est d’atteindre une réduction significative du coût global du système, d’une part en communalisant les onduleurs, d’autre part en exploitant les avantages de la « tolérance aux pannes ». Suivant cette approche, tous les onduleurs et tous les enroulements moteurs sont utilisés en situation normale. La puissance nécessaire est donc répartie au mieux sur tous les composants. La réduction de l’effort individuel qui s’ensuit permet d’envisager l’usage de composants moins coûteux. Pour donner un ordre de grandeur, un transistor MOSFET résistant aux radiations coûte environ 500€. L’optimisation du système pourrait autoriser l’usage de transistors bipolaires coûtant environ 20€. La méthodologie développée dans le cadre de ce projet sera d’abord testée dans un environnement de simulation (typiquement Matlab / Simulink) puis validée sur un banc d’essais.