Contrôle des moteurs BLDC : Guide du débutant

Vous avez probablement tous piloté un petit moteur à courant continu. Une source d’alimentation, comme une pile, est suffisante et le rotor se met à tourner en sifflant. Si vous avez une alimentation de laboratoire, vous pouvez même modifier sa vitesse de rotation en ajustant la tension. Par contre, cela est impossible avec les moteurs brushless à courant continu (BLDC) du fait de la façon dont ils sont conçus.

Les moteurs à courant continu à charbons sont faciles à utiliser, car la méthode de commutation des enroulements est mécanique. La position des charbons par rapport au collecteur du rotor (commutateur) permet d’alimenter les bobines du rotor au moment adéquat par rapport à la direction du magnetic field generated by the permanent magnets.

Les moteurs BLDC nécessitent une commutation électronique. Les connexions de chaque bobinage sont accessibles à l’extérieur de la carcasse du moteur, les concepteurs doivent alors les alimenter selon un ordre précis.

Structure du moteur

Avant d’aborder le contrôle électrique, il est nécessaire de comprendre la réalisation mécanique des moteurs BLDC à courant continu. Un moteur brushless possède typiquement trois connexions. Dans beaucoup de publications, elles sont nommées U, V et W. L’aimant permanent est fixé au rotor, alors que les enroulement des bobinages se situent au niveau du stator, partie fixe du moteur.
  Le nombre de pôles nord/sud du rotor, appelés paires de pôles est un aspect important de la conception de ce moteur. La plupart des moteurs possèdent deux paires de pôles (quatre pôles), ce nombre peut être de trois ou quatre, ou seulement un (deux pôles). Moins il y a de pôles, plus le moteur peut tourner rapidement, mais à basse vitesse, le couple sera plus faible que s’il y a davantage de paires de pôles. Un nombre de paires de pôles plus important améliorera le couple à basse vitesse, mais la vitesse maximum sera inférieure à celle d’un moteur d’encombrement identique.
  Selon la documentation, les enroulements du stator sont connectés dans une configuration Wye, Y ou étoile, chacun de ces termes désignant la même chose. Certains moteurs possèdent une quatrième connexion reliée au point de liaison commun aux trois enroulements. Elle peut être utilisée dans certains circuits de contrôle, cependant, durant le fonctionnement, elle présentera une tension égale à la moitié de la tension appliquée durant chaque phase et devra rester flottante.

Il existe également de nombreuses autres variantes de moteurs BLDC conçus pour répondre à des applications spécifiques. Par exemple, pour les drones ou les avions modèles réduits, les moteurs dont la partie mobile (rotor) est à l’extérieur, sont fréquemment utilisés. Ici, le stator est au centre et le rotor, avec ses aimants permanents, est à l’extérieur. Le refroidissement peut être ainsi amélioré et la vitesse de rotation plus stable du fait de la plus grande inertie du moteur. Quelles que soient les différences, le concept du contrôle demeure identique.
  Il est important de noter qu’un nombre conséquent de conceptions différentes et de matériaux sont utilisés dans les moteurs BLDC. Il faut donc considérer les exemples précédents uniquement pour information. Les sites Web des fabricants de moteurs de qualité contiennent une grande quantité d’informations relatives au couple, la vitesse maximale, le nombre de pôles et les paramètres tels que l’encombrement, les dimensions et le rendement énergétique.

Contrôle du moteur par commutation

Le rotor étant la partie possédant le champ magnétique constant, l’ingénieur concepteur doit créer un champ magnétique rotatif qui sera suivi par le rotor. Cela signifie que les enroulements du stator doivent être alimentés dans un ordre spécifique. Chaque enroulement du stator doit être alimenté pour présenter un pôle nord, puis un pôle sud. Avec trois enroulements de stator, on a donc une séquence de six étapes réalisées par commutation électronique.
  Sur le plan électrique, à chaque étape, nous devons avoir un enroulement relié à l’alimentation, un autre relié à la masse, et le troisième flottant (non relié).
  Pour réaliser cette fonction, un circuit en pont triphasé est utilisé. Il est constitué de six transistors MOSFET, un microcontrôleur ou un circuit spécialisé pour le pilotage des moteurs BDLC les contrôle. Comme pour les ponts en H pilotant les moteurs à courant continu à balais, il y a un risque de court-circuit important. Ainsi, lors de l’écriture du logiciel d’un microcontrôleur, il faut s’assurer que les sorties haute et basse d’un enroulement ne soient jamais alimentées simultanément.

Du fait de la faible résistance des enroulements, maintenir un enroulement alimenté pendant un temps relativement important est également risqué. Cela peut se produire lors de l’utilisation de la fonction de débogage d’un microprocesseur quand un point particulier est atteint et maintenu. Certains microcontrôleurs prévus pour le pilotage de moteurs BLDC peuvent supprimer l’alimentation de leurs sorties quand le débogueur stoppe le microcontrôleur.
  C’est à ce stade que les choses se compliquent un peu. Une rotation électrique répondant à ces six phases ne correspond pas toujours à une rotation mécanique ! Les rotations électrique et mécanique sont identiques si le moteur possède une seule paire de pôles comme dans le schéma précédent. Une rotation électrique est égale à une demi rotation mécanique, si le moteur possède deux paires de pôles. Avec quatre paires de pôles, on passe à une rotation mécanique de 90°. Il est important de prendre cela en considération lors de l’écriture du logiciel. Tout d’abord, lorsqu’une rotation électrique est accomplie, un coefficient doit être appliqué si le logiciel doit indiquer la vitesse de rotation en tours par minute (RPM) .

La charge du processeur est une autre caractéristique importante à considérer. À la vitesse de 100 tours par minute, vous disposez de 600 ms (60 seconds ÷ 100) pour exécuter le code correspondant à une rotation, dans le cas d’un moteur possédant une seule paire de pôles. Dans le cas d’un moteur à quatre paires de pôles, vous devez pouvoir exécuter le même code en seulement 150 ms (un quart du temps précédent). À la vitesse de 1 000 RPM, ce temps passe respectivement à 60 ms et 15 ms.

Si vous prenez en compte le code maintenant la vitesse (il s’agira typiquement d’un contrôleur de type PID), la charge du processeur pourrait être exceptionnellement élevée et limiter la vitesse maximale que le moteur pourrait atteindre. C’est pour cela que de nombreux fournisseurs de microcontrôleurs proposent des composants dédiés au contrôle des moteurs, possédant des éléments périphériques qui déportent la complexité vers des dispositifs matériels afin de décharger le processeur

Obtention de la séquence conforme selon un timing correct – Capteurs de position du Rotor

Dès lors, quelle paire de bobinages devez-vous alimenter en premier ? Vous avez une chance sur six de le déterminer correctement. Pour résoudre ce point, de nombreux moteurs possèdent un capteur de position angulaire sur le rotor, ou un emplacement prévu pour en ajouter un. Pour un coût très modique, les capteurs à effet Hall permettent une précision de 60°, voire meilleure (360° ÷ 6 dans le cas d’un moteur à une seule paire de pôles). Pour un coût plus important, un résolveur de position peut offrir une précision inférieure au degré dans la détermination de l’angle d’orientation d’un rotor. Votre microcontrôleur ou un circuit intégré contrôleur pour moteur BLDC pourra lire ce capteur afin de déterminer la première paire d’enroulements à considérer selon la position connue du rotor.
 

L’avantage de connaître la position du rotor avant d’alimenter les enroulements permet d’annuler les hésitations du rotor pour atteindre la position du champ magnétique appliqué. La connaissance de la position du rotor est critique au cours du contrôle de la commutation du moteur, afin de s’assurer que la prochaine paire d’enroulements correcte est alimentée alors que le moteur tourne. Les données du capteur sont également transmises à l’algorithme de contrôle, permettant à la vitesse d’être maintenue, même si la charge du moteur varie.

Contrôle de la Vitesse d’un moteur BLDC

Connaissant la position correcte du rotor et la paire des enroulements du stator à alimenter à un instant donné, l’opération suivante consiste à contrôler la vitesse de rotation du moteur. Ceci est fait de façon identique à la régulation de vitesse d’un moteur à courant continu à balais : en faisant varier la tension.

Revenons au circuit du pont triphasé, les grilles (gates) des trois MOSFET supérieurs sont habituellement reliées à des broches du microcontrôleur capables de produire des impulsions modulées en largeur MLI (ou PWM) en sortie. Pour un rapport cyclique faible, la tension appliquée aux enroulements du stator est faible. En conséquence, le moteur tourne lentement, et en utilisant le signal du capteur à effet Hall, le microcontrôleur pilote les signaux de sortie afin d’implémenter la commutation en six étapes, à la vitesse appropriée. Lorsque la tension augmente, la vitesse de rotation croît ainsi que la rapidité de traitement des six étapes de commutation par le microcontrôleur.

Notez qu’en appliquant une charge au rotor du moteur, celui-ci ralentit, sauf si un algorithme de régulation de vitesse de type PID (Proportionnel Intégral Dérivé) est utilisé.
 

Amélioration du pilotage des moteurs BLDC

Comme dans tout système électronique, il est toujours possible d’améliorer les contrôles, si une manière de maitriser la complexité peut être mise en œuvre ! Par exemple, un capteur sur le rotor ajoute une masse et rend le moteur plus volumineux, son coût augmente, et c’est une source supplémentaire de panne potentielle.

Alternativement, la force contre-électromotrice (back-EMF) du moteur peut être évaluée en utilisant un convertisseur analogique-numérique (CAN ou ADC) pour acquérir la tension des enroulements qui ne sont pas alimentés ou reliés à la masse. Cela nécessite un filtrage analogique et numérique, en raison du bruit présent dans ces circuits, ce qui accroit la charge du processeur. Toutefois, un problème relatif à cette méthode existe car un rotor immobile ne produit pas de force contreélectromotrice. Il est ainsi difficile de déterminer la position du rotor à l’arrêt du moteur. Des astuces et des algorithmes permettent toutefois de contourner ce problème.

Si vous souhaitez piloter le moteur à une vitesse supérieure à la limite spécifiée, c’est également possible. Configurez le logiciel de commutation afin qu’il passe à l’étape de commutation suivante un peu plus rapidement que spécifié, par exemple en anticipant la prochaine étape de commutation. Cette technique appelée “avance de phase” (phase advance) dans la documentation, permet aux moteurs d’atteindre une vitesse plus du double de la vitesse maximum indiquée dans leurs fiches techniques. En contrepartie, cette technique engendre une perte de couple et une diminution du rendement énergétique.
  Les moteurs BLDC pilotés par un circuit commutateur à six étapes génèrent également des variations ondulatoires du couple, engendrant une légère instabilité de la rotation du rotor. Des méthodes ingénieuses mises en œuvre dans la construction des moteurs permettent de limiter cet effet qui peut néanmoins s’avérer être un problème dans les systèmes de précision, ou si le bruit audible doit être maintenu faible. Si votre processeur le permet, vous pouvez modifier les sorties MLI afin qu’elles délivrent un signal sinusoïdal au lieu d’un signal continu variable aux enroulements du stator. L’amplitude du signal sinusoïdal détermine la vitesse du moteur, et quand la vitesse du rotor augmente, la fréquence de la sinusoïde doit augmenter afin de la maintenir.

Circuits intégrés contrôleurs de moteurs BLDC

La recherche de composants adéquats pour implémenter le contrôle d’un moteur BLDC peut être parfois difficile, en raison du grand nombre de fournisseurs proposant des composants pour les différentes sections du système. Les compagnies telles que Microchip et Infineon proposent des microcontrôleurs dédiés au contrôle des moteurs. Ils sont souvent compatibles avec des capteurs d’angle et de position usuels. D’autres sont spécialisés dans les liaisons entre le microcontrôleur et le pont triphasé. Les transistors MOSFET utilisés nécessitent souvent une puissance importante pour piloter leurs grilles (gate) d’entrée, c’est pour cela que des fabricants tels que power to drive their gates, so vendors such as Elmos, Toshiba, et Monolithic Power (MPS) proposent des pré-drivers. Ces dispositifs comportent également des circuits de protection contre les courts-circuits, le contrôle des temps morts, et parfois des circuits linéaires de régulation de l’alimentation des microcontrôleurs et encore d’autres circuits divers.
  Des solutions totalement intégrées sont également disponibles chez certains fabricants, tel que Melexis. Ces circuits intégrés à forte intégration proposent des solutions de contrôle des moteurs sans capteur, et sont souvent proposés avec divers utilitaires permettant d’adapter le paramétrage du contrôleur au moteur choisi. Enfin, des compagnies telles que Enclustra proposent des circuits FPGA IP (réseau de portes programmables sur site ou Field Programmable Gate Array Intellectual Property) pour le contrôle des moteurs. Ils peuvent être associés aux FPGA de Xilinx ou Altera pour assurer un contrôle excellent et faciliter le support de multiples usages des moteurs, car les limites des de ces contrôleurs ne dépendent plus des performances d’un processeur.