Analyse et synthèse d`une structure de contrôle vectoriel simplifiée
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Analyse et synthèse d`une structure de contrôle vectoriel simplifiée
Volume 50, Number 2, 2009 119 Analyse et synthèse d'une structure de contrôle vectoriel simplifiée associée au couple de charge appliquée au moteur synchrone à aimants permanents M. SEBBA, S. HASSAINE, Sandrine MOREAU et A. CHAKER Résumé – L'objectif du présent article est d'améliorer les performances de la commande vectorielle du moteur synchrone à aimants permanents à rotor lisse en introduisant une structure simplifiée qui utilise un contrôleur classique de type PID. Nous présentons d'abord, brièvement, le principe de la commande vectorielle. Après cela nous décrirons la commande en couple en contrôlant le courant, et nous étudierons l'asservissement de vitesse en employant un ensemble de correcteurs classiques. Ces études sont menées par: un développement théorique et une mise en œuvre expérimentale. Nous finirons par une évaluation comparative. Mots clés – Commande vectorielle, MSAP, régulateur PI, Régulateur PID, MLI vectorielle. 1. INTRODUCTION Jusqu'à un passé récent, les machines à courants continus ont été majoritairement utilisées dans les entraînements à vitesse variables. En revanche, l'apparition des machines synchrones à aimants permanents (MSAP) dans le monde des actionneurs électriques a joué un rôle crucial dans l'évolution des systèmes électriques en leur ouvrant de nouvelles opportunités grâce à leur fonctionnement dans une ambiance déflagrante. La stratégie de pilotage théoriquement la plus évoluée pour une machine synchrone à aimants permanents (MSAP) est la commande vectorielle [1-4]. Elle permet d'obtenir de bonnes performances même en régime transitoire. Classiquement, la commande vectorielle, dite structure de régulation de type cascade, a été largement utilisée [5-7]. Les principaux avantages de cette configuration font que la régulation cascade est d'un usage industriel très répandu [8,9]. Pour se faire, deux boucles sont adoptées afin d'obtenir les réponses souhaitées. Dans un premier temps, on réalise la boucle interne qui assure la maîtrise du courant. Ensuite, la synthèse d'une boucle externe permet d'asservir la vitesse. Le réglage du courant est réalisé par l'une des trois méthodes suivantes: la commande par hystérésis [1-4], la commande par modulation de largeur d'impulsion de l'onduleur [2,3][10] et la commande prédictive [11,12]. Quant à l'asservissement de la vitesse, une correction proportionnelle intégrale et dérivée (PID) peut être réalisée [13-15]. Cet article est consacré pour l'étude d'une structure simplifiée de la commande vectorielle utilisant des correcteurs dits conventionnels de type PID. Cette structure est obtenue en utilisant seulement deux correcteurs; Un sur l'axe direct et l'autre sur l'axe en quadrature. Les objectifs de cette commande concernent principalement la régulation des courants statoriques et l'asservissement de la vitesse. Pour dégager les bonnes performances en régime transitoire et en poursuite, une étude comparative entre une structure cascade et celle proposée a été présentée. © 2009 – Mediamira Science Publisher. All rights reserved. ACTA ELECTROTEHNICA 120 Ainsi cet article est organisé comme suit; La première partie est consacrée pour la modélisation du processus à étudier, le principe de la commande vectorielle est présenté dans la seconde partie, une synthèse détaillée des deux boucles, à savoir, la boucle de courants et la boucle de vitesse, a été également présentée, dans la partie suivante, nous avons présenté la structure de la commande simplifiée proposée, dans la quelle nous avons utilisée seulement deux correcteurs, un pour régler le courant isd et l'autre pour asservir la vitesse de rotation, la dernière partie comporte les résultats expérimentaux obtenus. 2. MODÉLISATION DE LA MSAP Pour étudier la commande de la MSAP, on applique généralement aux variables statoriques des transformations de Park faisant intervenir l’angle de rotation θ. dθ On pose: =ω dt On obtient les équations suivantes : d (1) V sd = R s isd − Lq ω isq + Ld isd dt d V sq = R s isq + Ld ω isd + Lq isq + ϕ f ω (2) dt Le couple développé par la machine s′écrit : (3) C em = 1.5 p (ϕ sd i sq − ϕ sq i sd ) Soit en utilisant seulement les courants : (4) C em = 1.5 p (ϕ f i sq + ( L d − L q ) i sd i sq ) L’équation mécanique générale prend la forme suivante: J d2 d θ + f c θ = C em − C r 2 dt dt (5) Dans cette équation Cr représente le couple résistant. Les flux sont reliés aux courants par les relations suivantes: ϕ sd = Ld isd + ϕ f (6) ϕ sq = Lqisq (7) 3. COMMANDE VECTORIELLE DU MSAP 3.1. Principe Le principe de la commande vectorielle avec alimentation en tension et commande en courant permet d'imposer le couple. Or, quel que soit le but de la commande (régulation de couple, de vitesse ou de position), le contrôle des courants reste cependant nécessaire. Ceci est dû au fait que les courants représentent des grandeurs mesurables. Leur maîtrise assure le contrôle vectoriel et garantit, par conséquent, la protection contre les risques liés aux surcharges et aux pointes de courant en régime transitoire tout en saturant, bien entendu, les valeurs de référence. L'objectif principal de la commande vectorielle des MSAP est donc de contrôler le couple de manière optimale selon un critère choisi [16]. 3.2. Régulation des Courants Statoriques Nous avons utilisé des régulateurs classiques de type PI dans une structure par boucle imbriquée. En effet, deux modes peuvent être distingués, le mode électrique rapide (boucles internes) et le mode mécanique lent (boucle externe). La séparation des deux modes en question permet de décomposer un système d'ordre élevé en plusieurs sous systèmes d'ordre faible. On obtient une boucle externe et une boucle interne (imbriquée). La dynamique de la boucle interne doit être sensiblement plus rapide que la dynamique de la boucle externe. La commande par boucle imbriquée est alors classiquement appliquée à la MSAP, puisqu'elle permet de contrôler séparément les courants isd et isq (et donc le couple) et la vitesse de rotation. Dans le schéma bloc de la figure.1, figurent les principaux constituants de la commande vectorielle, à savoir la boucle de régulation de vitesse, les boucles internes des courants isd et isq et les transformations directe et inverse. Volume 50, Number 2, 2009 ω* PI - isq* Vsq* PI - Vsd isd*= 0 - * T32 P(θ) PI 121 Vsa* Vsa Vsb* Ond Vsb MLI Vsc Vsc * MSAP θ isd isq ω Observateur P(-θ) T22 Calcul de la vitesse Fig. 1. Bloc diagramme de la commande vectorielle des MSAP. La mesure des courants de phases isa et isb est réalisée en employant deux capteurs de courants. Après leur filtrage, une conversion analogique-numérique est effectuée au niveau de la carte d'interface Dspace 1104, suivie des transformations de Concordia et de Park. Il en résulte les grandeurs isd et isq utilisées par la suite dans la boucle de contrôle des courants. L'acquisition de la position angulaire permet le calcul de la vitesse par dérivation numérique suivie d'un filtrage passe-bas. La synthèse du correcteur PI des courants est réalisée par la méthode de compensation du zéro introduit par ce dernier par le pôle de la dynamique du courant. Ensuite, l'ajout des termes de découplage du contrôle des courants statoriques est fortement préconisé. Ce découplage rend les axes d et q complètement indépendants. Il permet aussi d'écrire les équations de la machine d'une manière simple. En outre, la synthèse des correcteurs est plus aisée et le niveau des performances de la commande est plus élevé [9]. Le gain proportionnel du correcteur PI a été déterminé de sorte que la boucle interne du courant soit dix fois plus rapide que celle en boucle ouverte. 1) Estimation de la vitesse: Le moteur utilisé est équipé d'un synchro-résolveur. L'information issue de celui-ci sollicite l'interface développée au LAII. Elle est construite autour du circuit spécialisé AD2S9. Ainsi, le prélèvement de l'information sur la position revient à effectuer continûment le comptage des impulsions en provenance du codeur incrémental. L'information obtenue étant alors, une donnée discrète. La vitesse est déduite de la position par dérivation numérique. La vitesse ainsi calculée contient inévitablement beaucoup de bruit. Une solution permettant de réduire remarquablement le bruit est l'utilisation d'un correcteur de vitesse de type PI en vue de l'observation du couple de charge [17-19]. La structure de l′observateur est illustrée par la figure 2. i sq ω 3pФf /2 + PI + - p Js + fc ω̂ Ĉ r Fig. 2. Estimateur de vitesse et de couple. 3.3. Synthèse de la boucle de vitesse Beaucoup d'applications industrielles nécessitent la variation de la vitesse de la MSAP. Cependant, la recherche touchant le pilotage en vitesse, de celle-ci, est devenue quasiment incontournable. Dans cette section une synthèse de la boucle de vitesse est réalisée. 2) Commande de la vitesse par PI: Une fois la régulation de la boucle de courant validée, il est alors possible de mettre en place, en cascade, une boucle de vitesse souhaitée. Le schéma bloc de régulation de la vitesse est le suivant. Sur la base de la structure de contrôle en cascade (Fig. 3), on supposera que la ACTA ELECTROTEHNICA 122 Cr ω * - K pω Tiω s ⋅ (1 + Tiω s ) * isq 1 1 + τ fq s isq 3 2 pφ f C em - p f c + Js ω Fig. 3. Pilotage de la vitesse par PI. dynamique de la boucle interne est suffisamment rapide de telle sorte que l'on puisse admettre que les variables internes (isd et isq) ont déjà atteint leurs valeurs de référence et qu'elles se trouvent dans leurs état stationnaire, c'est-à-dire, que isd = isd* et isq=isq*. Cela veut dire que la boucle interne de courant est approximée par un gain unitaire. Le courant statorique direct est asservi à zéro. Compte tenu des termes de découplage que l'on introduit dans les boucles internes et en compensant le zéro du PI par le pôle de la partie mécanique du moteur, la fonction de transfert en boucle fermée par rapport à la consigne est donnée par: 1 G fv ( s ) = (8) 1 + τ fv s Où τ fv = 2J 3 p²φ f K pω Le gain Kpω est déterminé de manière à obtenir une dynamique en vitesse ayant la bande passante souhaitée. En effet, un gain Kpω = 0.06 permet d'avoir une constante de temps équivalenteτfv = 0.0903 sec. Le gain de l'action intégrale se déduit de la manière suivante: f 2 fc Kiω = K pω c = (9) 3 p ² Φ f τ fv J 3) Mise en œuvre de la structure de commande simplifiée proposée pour l'asservissement de vitesse par PID: Malgré un éventail très large de processus existants et malgré les diverses formulations envers les exigences requises, le régulateur Proportionnel Intégral Dérivé (PID) s'est fortement imposé dans plus de 90% des boucles de contre-réaction [8][13,15]. La prédominance incontestée de ce type de commande provient, outre de sa simplicité extrême, des performances qu'il peut offrir aux systèmes en boucle fermée, satisfaisant très souvent les cahiers des charges, si ses paramètres sont choisis convenablement [13]. Le choix d'une commande de type PID permet souvent, lorsqu'on ajuste judicieusement ses paramètres, de remplir le cahier des charges à entière satisfaction. Ceci peut expliquer pourquoi il est très souvent préféré à d'autres structures et qu'il est utilisé, malgré la complexité de nombreux systèmes industriels, dans la grande majorité des boucles de rétroaction. Quant à la question de savoir si un régulateur PID est suffisant pour le contrôle d'un système considéré, une étude qualitative est proposée en [8]. Elle souligne que, lorsque la dynamique d'un système est essentiellement du premier ordre, un régulateur PI est adéquat. C'est également le cas pour une architecture PID, quand la dynamique dominante est du second ordre. C'est ce qui nous a motivé à introduire, dans ce qui suit, cette approche. En effet, la structure proposée dans la figure 4 possède les caractéristiques suivantes: - la simplicité du fait que seulement deux correcteurs sont utilisés, un correcteur PI pour l'axe d et un correcteur PID pour l'axe q; - la présence de l'action dérivée améliore davantage la stabilité en boucle fermée du système. ω* Vsq* Correcteur PID Vsa* - Vsa Vsb* Vsd* * isd = 0 - PI V T32 Ond sb P(θ) V * MLI sc Vsc isa MSAP isb θ Lsq ω isq isq isd ω Observateur P(-θ) T22 Calcul de la vitesse Fig. 4. Commande en vitesse par PID de la MSAP. Pour l'axe d de la MSAP, la dynamique est du premier ordre. On conservera les calculs précédents. Quant à l'axe q de la machine, elle est modélisée par: Volume 50, Number 2, 2009 1.5 p ² Goq ( s ) = s² + ( = ϕf L'identification des différents coefficients des deux fonctions de transfert de (13) donne: JLsq Rs f c + 1.5 p ²ϕ 2f f c Rs (10) + )s + J Lsq JLsq Ko (τ 1 s + 1)(τ 2 s + 1) Après application numérique au moteur, on trouve: Ko= 13.76; τ1= 0.057 s; τ2=0.0079 s La transmittance (10) montre que le système est du second ordre. Il est donc judicieux de placer en série un correcteur PID de forme série afin d'imposer globalement au système, en boucle fermée, un comportement du second ordre. La structure du correcteur peut être donnée par la fonction de transfert suivante: 1 + K p Ti s 1 + Td s (11) Cq ( s ) = Ti s 1+τs On note ici que d'autres variations de la formulation standard du correcteur sont couramment utilisées afin d'augmenter les performances en boucle fermée du régulateur PID. L'ajout d'un filtre dans le terme dérivé est souvent adopté en pratique. Outre, le fait de rendre la fonction de transfert causale, ce filtre permet souvent d'éviter les difficultés inhérentes à la dérivation, liées à l'amplification du bruit de mesure. La fonction de transfert du procédé, d'axe q, bouclé prend la forme: 1 + K pTi s 1 + Td s Ko 1 + τs (τ 1s + 1)(τ 2 s + 1) Ti s G f ( s) = (12) 1 + K pTi s 1 + Td s Ko 1+ Ti s 1 + τs (τ 1s + 1)(τ 2 s + 1) Imposé au procédé fermé un comportement similaire à un système du second ordre, nous mène à choisir respectivement KpTi=τ1 et Td=τ2 et la fonction de transfert (12) s'écrit alors: Ko τ Ti ωn2 = G f ( s) = K 1 s ² + 2ζωn s + ωn2 s² + s + o τ τ Ti 123 (13) ωn = Ko 1 Ti et ζ = 2 τ Ko τ Ti Le temps de réponse vérifie donc: 3 tr ≈ = 6τ ζωn (14) (15) Remarques 1. le paramètre Td est imposé par le procédé lui-même (Td=τ2), est choisi en fonction du temps de réponse souhaité, 2. le dépassement est assigné à l′aide de Ti, étant donné que le taux d’amortissement est ajusté via Ti, 3. le gain est finalement donné par: K p = τ1 Ti . En revanche, dans le but de faciliter le dimensionnement du correcteur PID et d'en augmenter ses performances, on a procédé au calcul des différents paramètres du correcteur PID, implicitement, par imposition d'un modèle de référence du second ordre mis sous la forme canonique. Ainsi, la fonction de transfert du système bouclé prend la forme suivante: G f ( s) = Cq ( s )Goq ( s ) 1 + Cq ( s )Goq ( s ) = ωn2 (16) s ² + 2ζωn s + ωn2 Après tout calcul fait, le correcteur Cq(s) prend la forme suivante: Cq ( s ) = ωn2 (τ 1s + 1)(τ 2 s + 1) Ko s ² + 2ζωn s (17) Notons que les deux formes (11) et (17) du correcteur Cq(s) sont identiques. En effet, après transformations simples, on obtient: 2ζωn = 1 τ et ωn2 Ko = 1 τ Ti (18) Le dimensionnement du correcteur par la deuxième méthode s'obtient en imposant uniquement le taux d'amortissement ζ et la pulsation propre non-amortie avec laquelle on règle le temps de réponse souhaité. ACTA ELECTROTEHNICA 124 Tableau 1. Les paramètres du MSAP. φf J fc Désignation tension nominale courant nominale résistance statorique Inductance directe Inductance longitudinal Nbr de paires de pôles le flux dû aux aimants moment d’inertie coefficient des frottements visqueux Valeur 220 V 3.5 A 0.56 Ω 4.5 mH 4.5 mH 2 0.074 wb 0.00208 kgm2 0.0039 Nms/rad 250 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 0 4. RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX Ainsi, la période d'échantillonnage est choisie dans le cas présent égale à 0.1ms. vit (rad/sec) Errer deerrvitesse (rad/sec) Dans le contexte de la commande numérique, la période d'échantillonnage est choisie en respectant: - une valeur minimale imposée par la vitesse d'exécution du calculateur (dans le cas du banc de test, la dspace 1104), la complexité des algorithmes implantés et la résolution souhaitée, - une valeur maximale qui devrait être compatible avec la dynamique souhaitée du contrôle. 5 Temps (sec) t (sec) 10 15 10 15 (a) 30 20 10 0 -10 -20 -30 0 5 t (sec)(sec) Temps (b) isd isq* isd 3 2 courants (A) Courant (A) 4.1. Choix de la période d’échantillonnage référence estimée 200 vitesse(rad/sec) (rad/sec) Vitesse Symbole Un In Rs Ld Lq p 1 0 -1 -2 4.2. Régulation de la vitesse par un PI Nous présentons dans ce qui suit (Fig.5), les courbes d'expérimentation de l'évolution des différentes grandeurs, à savoir la vitesse ω, l'erreur entre la vitesse estimée et mesurée, et les courants isd et isq, pour un asservissement de vitesse par PI et régulation de courants par PI. Pour ces essais expérimentaux, le temps de réponse à 5% est de l'ordre de 0.24 sec mais un dépassement de 13.82% apparaît. Les résultats expérimentaux obtenus en employant des régulateurs PI avec antisaturation montrent un bon suivi des différentes grandeurs contrôlées par rapport aux grandeurs de consigne et prouve que le modèle utilisé est suffisamment précis et que le jeu de paramètres utilisé est bon. -3 0 5 Temps (Sec) t (sec) 10 15 (c) Fig. 5. Résultats expérimentaux - Asservissement de vitesse par PI. Régulation des courants par PI. (a) vitesses de consigne et estimée, (b) l'erreur entre la vitesse de référence et estimée, (c) les courants isq de référence et mesuré, isd mesuré. La figure 6 illustre la réponse de la vitesse du moteur lorsqu'un échelon de couple résistant lui est appliqué. La vitesse du moteur est régulée à 150 rad/sec. Précisons que la chute de la vitesse est importante, elle est de l'ordre de 11% de la vitesse de consigne. Différents essais ont prouvés que l'on peut optimiser la réponse vis-à-vis d'un échelon de consigne, en augmentant le gain Kpω, mais la réponse vis-à-vis d'un échelon de perturbation ne peut pas être accélérée et par conséquent, le Volume 50, Number 2, 2009 250 référence estimée référence estimée 200 180 150 vitesse (rad/sec) Vitesse (rad/sec) vitesse (rad/sec)(rad/sec) Erreur de vitesse 190 125 170 160 150 100 50 0 -50 -100 140 -150 -200 130 -250 0 120 0 5 Temps t (sec)(sec) 10 Temps (sec) t (sec) 10 15 10 15 (a) (a) isq isd 3 2 1 err vit (rad/sec)(rad/sec) Erreur de vitesse 30 4 courants (A)(A) Courant 5 15 20 10 0 -10 -20 0 -30 0 5 -1 0 5 Temps (sec) t (sec) 10 courants (A) Courant (A) 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 0 4.3. Régulation de la vitesse par un PID Le dimensionnement fait au cours de cette partie est basé sur un choix approprié de ζ et ωn. En effet, le choix qui nous a paru convenable, après une série de tests, est ζ=0.707 et ωn=135 rad/sec. Ce choix permet d'obtenir les constantes suivantes du correcteur PID: Kp=0.4, Ti=0.144 sec, Td=0.0079 sec et τ=0.0053 sec. Les pôles du système en boucle fermée sont placés à: - 95.4450 ± 95.4738i Les différents résultats obtenus permettent de dire que ce type de réglage, malgré sa simplicité, offre au système de meilleures performances dynamiques en matière du temps de réponse (fig.7). Suite à l'application d'un couple résistant, on enregistre également des résultats isq isd 2 (b) temps de rejection du couple résistant reste toujours très lent. (b) 2.5 15 Fig. 6. Evolution de la vitesse suite à des tests en charge et décharge du moteur. (a) vitesse de référence et estimée, (b) les courants isd mesuré et isq mesuré. Temps (sec) t (sec) 5 Temps (Sec) t (sec) 10 15 (c) Fig. 7. Résultats expérimentaux -Asservissement de vitesse par PID. Régulation de isd par PI. (a): Vitesses de consigne et mesurée, (b): L'erreur entre la vitesse de référence et estimée, (c): les courants isq mesuré et isd mesuré. satisfaisants (Fig.8), la chute de la vitesse est inférieure à 3.1% de la vitesse de consigne et le temps de réjection de la perturbation du couple est de 0.6 sec environ. 5. CONCLUSION Au cours de cette étude, nous avons présenté différentes configurations pour commander vectoriellement la MSAP, deux structures de la commande vectorielle de la MSAP ont été étudiées, à savoir la structure en cascade et une structure qui ne comporte que ACTA ELECTROTEHNICA 126 190 référence estimée 180 vitesses (rad/sec) Vitesse (rad/sec) 170 160 150 140 130 120 0 5 t (sec) Temps (sec) 10 15 (a) isq isd courants (A) Courant (A) 4 similaire à un système du second ordre, est un correcteur PID série équipé d'un filtre du premier ordre. La détermination des différents paramètres du régulateur a été réalisée implicitement suite à un placement de pôles via imposition du taux d'amortissement ζ et de la pulsation ωn. Nous avons remarqué en effet, d'après les différents résultats expérimentaux obtenus, que la structure PID permet d'obtenir des réponses dynamiques satisfaisantes par rapport aux références sur les grandeurs de consigne ainsi qu'un rejet efficace de la perturbation. 3 RÉFÉRENCES 2 1. P. Vas, Sensorless vector and direct torque control, Oxford, U.K, Oxford Univ. Press, 1998. 2. B.K. Bose, Power electronics and AC drives, Englewood Cliffs, NJ, Prentice-Hall, 1986. 3. B.K. Bose, Power electronics and variable frequency Drives: Technology and applications, IEEE press 1997. 4. M. Lajoie-Mazenc et al, ″Study and implementation of hysteresis controlled inverter on permanent magnet synchronous machine″, IEEE Trans. on ind. appli. , vol. 1A-21, No. 2, pp. 408-413, March/April 1985. 5. 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Ce correcteur a été dimensionné par la méthode de compensation du pôle. Quant à la boucle externe de vitesse, un correcteur classique de type PI a été associé au régulateur de courant employé. Finalement, une structure simple a été testée pour commander vectoriellement la MSAP. Pour l'axe d, un correcteur PI est introduit pour contrôler isd. Quant à l'axe q, un seul correcteur est utilisé. Le correcteur permettant d'imposer un comportement Volume 50, Number 2, 2009 12. Hangzhou, P., R. China, M. Morari and E. Zafiriou, Robust Process Control, Prentice Hall International, Inc, 1989. 13. Rong-Maw Jan, Chung-Shi Tseng, Ren-Jun Liu, "Robust PID control design for permanent magnet synchronous motor: A genetic approach", Electric Power Systems Research-Elsevier, 78 (2008), pp. 1161–1168. 14. 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He is now a teacher of electrical engineering at the University Ibn Khaldoun of Tiaret city (Algeria). He is currently working toward the Ph.D. degree in electrical engineering. His major research interests are control of electrical machines associated with static converters, advanced sensorless control and real time simulation with card DESPACE. Said HASSAINE received the Master degree in electrical machine control in 2000 from the Ibn Khaldoun university of Tiaret city, currently prepares a PhD in the Laboratory of Automatic and Industrial Informatic (LAII), from the University of Poitiers, France. His main research area is on application of new control techniques of the permanent magnet synchronous machine. Abdelkader CHAKER is a Professor in the Department of Electrical Engineering at the ENSET, in Oran, Algeria. He received a Ph.D. degree in Engineering Systems from the University of Saint-Petersburg. His research activities include the control of large power systems, multi-machine multiconverter systems and the unified power flow controller. His teaching includes neural process control and real time simulation of power systems. Sandrine MOREAU was born in France in 1972. She received the PhD degree from the University of Poitiers in automatic control in 1999. She is now Assistant Professor at the University of Poitiers (France). Her major research interests are modelling, identification, diagnosis and control of electrical machines associated with static converters.