Comment contrôler avec précision le couple et la vitesse d'un moteur BLDC dans les applications industrielles

Les moteurs CC sans balais (BLDC) font partie intégrante des ateliers de production industrielle, principalement pour une utilisation dans les servo-applications, les applications d'actionnement, de positionnement et à vitesse variable. Dans ces applications, un contrôle de mouvement précis et un fonctionnement stable sont essentiels. Étant donné que les BLDC fonctionnent sur le principe d'un champ magnétique mobile pour produire le couple du moteur, lors de la conception d'un système BLDC industriel, le principal défi de contrôle est de mesurer avec précision le couple et la vitesse du moteur.

Pour capturer le couple du moteur BLDC, il faut mesurer simultanément deux des trois courants de phase inductifs à l'aide d'un convertisseur analogique-numérique (CAN) multicanal à échantillonnage simultané. Un microcontrôleur avec des algorithmes appropriés calcule le troisième courant de phase instantané. Ce processus prend une capture précise et instantanée de l'état du moteur, une étape clé dans le développement d'un système de contrôle du couple moteur haute précision et robuste.

Cet article aborde brièvement les problèmes associés à la réalisation d'un contrôle de couple précis, et présente un moyen économique d'implémenter une résistance shunt requise. Il présente ensuite l'amplificateur différentiel de précision AD8479 et le CAN à registre d'approximations successives (CAN SAR) à échantillonnage double AD7380, tous les deux d'Analog Devices, et montre comment les utiliser pour obtenir des mesures de phase précises pour concevoir un système robuste.

Fonctionnement des moteurs BLDC

Un moteur BLDC est un moteur synchrone à aimants permanents avec une forme d'onde à force contre-électromotrice (FCEM). La FCEM observée n'est pas constante. Elle change à la fois avec le couple et la vitesse du rotor. Bien qu'une source de tension CC n'entraîne pas directement le moteur BLDC, le principe de fonctionnement de base du BLDC est similaire à celui d'un moteur CC.

Le moteur BLDC possède un rotor à aimants permanents et un stator à enroulements inductifs. Ce type de moteur est essentiellement un moteur CC à l'envers, sans balais ni commutateur, où les enroulements sont connectés directement aux composants électroniques de commande. Les composants électroniques de commande remplacent la fonction de commutateur et alimentent les enroulements dans le bon ordre pour le mouvement requis. Les enroulements sous tension tournent de manière synchronisée et équilibrée autour du stator. L'enroulement du stator alimenté commande l'aimant du rotor et effectue une commutation au moment où le rotor s'aligne avec le stator.

Le système de moteur BLDC nécessite un variateur moteur BLDC triphasé sans capteur qui génère les courants dans les trois enroulements du moteur (Figure 1). Le circuit est alimenté via un étage de correction du facteur de puissance (PFC) numérique avec contrôle du courant d'appel qui fournit une alimentation stable au variateur sans capteur triphasé.

Figure 1 : Le système de commande du moteur comprend une correction du facteur de puissance (PFC) pour stabiliser la puissance, un variateur sans capteur triphasé pour les enroulements du moteur BLDC, des résistances shunts et des amplificateurs de détection de courant, un CAN amplificateur simultané et un microcontrôleur. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Trois courants d'excitation entraînent le moteur BLDC, chacun alimentant et créant les phases dans les enroulements. Les enroulements présentent chacun des phases différentes qui s'additionnent pour donner 360°. Les différentes valeurs de phase sont importantes : comme l'excitation des trois parties équivaut toujours à un total de 360°, elles s'équilibrent uniformément (par exemple 90° + 150° + 120°).

Alors que le courant dans les trois enroulements d'un système doit être connu à n'importe quel moment donné, pour y parvenir dans un système équilibré, les courants de deux des trois enroulements seulement doivent être mesurés. Le troisième enroulement est calculé à l'aide d'un microcontrôleur. Les deux enroulements sont détectés simultanément à l'aide de résistances shunts et d'amplificateurs de détection de courant.

La fin du trajet du signal nécessite un CAN à échantillonnage simultané double qui envoie les données de mesure numériques au microcontrôleur. L'amplitude, la phase et la temporisation de chaque courant d'excitation fournissent les informations de couple et de vitesse du moteur nécessaires pour un contrôle précis.

Détection du courant à l'aide de résistances de circuit imprimé en cuivre

Il y a beaucoup de points délicats dans la conception d'un système de mesure et d'acquisition de données aussi précis, mais le processus commence par le développement d'un moyen efficace et économique de détecter le signal de phase d'enroulement du moteur BLDC. Cela peut être réalisé en plaçant une résistance de circuit imprimé en ligne de faible valeur (R_SHUNT) et en utilisant un amplificateur de détection du courant pour détecter la chute de tension au niveau de cette petite résistance (Figure 2). En supposant que la valeur de la résistance est suffisamment faible, la chute de tension l'est également et la stratégie de mesure a un impact minimal sur le circuit du moteur.

Figure 2 : Système de détection de phase du moteur utilisant une résistance shunt (R_SHUNT) pour mesurer la phase moteur instantanée avec un amplificateur haute précision, comme l'AD8479 d'Analog Devices, et un CAN haute résolution (AD7380). (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Sur la Figure 2, l'amplificateur de détection du courant capture la chute de tension instantanée de I_PHASE x R_SHUNT. Le CAN SAR numérise ensuite ce signal. La valeur de sélection de la résistance shunt implique des interactions entre R_SHUNT, V_SHUNT, I_SHUNT et les erreurs d'entrée de l'amplificateur.

Une augmentation de R_SHUNT entraîne une augmentation de V_SHUNT. La bonne nouvelle est que cela diminue l'importance des erreurs de décalage de tension (V_OS) et de décalage de courant de polarisation d'entrée (I_OS) de l'amplificateur. Cependant, la perte de puissance I_SHUNT x R_SHUNT avec une valeur R_SHUNT importante réduit le rendement énergétique du système. En outre, la puissance nominale de R_SHUNT a un impact sur la fiabilité du système, car la dissipation de puissance I_SHUNT x R_SHUNT peut produire un auto-échauffement qui peut entraîner une modification de la résistance R_SHUNT nominale.

Pour R_SHUNT, des résistances à usage spécial sont disponibles auprès de plusieurs fournisseurs. Cependant, une alternative peu coûteuse consiste à utiliser des techniques de disposition minutieuses pour la fabrication d'une résistance de piste de circuit imprimé pour R_SHUNT (Figure 3).

Figure 3 : Des techniques minutieuses de disposition de circuit imprimé constituent un moyen économique de créer la valeur R_SHUNT appropriée. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Calcul de la piste de circuit imprimé pour R_SHUNT

Étant donné que les températures peuvent être extrêmes dans les applications industrielles, il est important de tenir compte de la température dans la conception d'une résistance shunt de carte. Sur la Figure 3, le coefficient de température (α₂₀) d'une résistance shunt de piste de circuit imprimé en cuivre à 20°C est d'environ +0,39 %/°C (le coefficient varie en fonction de la température). La longueur (L), l'épaisseur (t), la largeur (W) et la résistivité (rñ) déterminent la résistance de la piste de circuit imprimé.

Si un circuit imprimé contient 1 oz de cuivre (Cu), l'épaisseur (t) est égale à 1,37 millième de pouce, et la résistivité (r) est égale à 0,6787 micro-ohm (µΩ) par pouce. La surface de piste de circuit imprimé est mesurée en termes de carré de piste (), qui est une surface équivalente à L/W. Par exemple, une trace de 2 pouces (in.) avec une largeur de 0,25 pouce équivaut à une structure de 8.

Avec les variables ci-dessus, la résistance de la piste de circuit imprimé en cuivre de 1 oz, R_•, à température ambiante, est calculée en utilisant l'Équation 1 :

Équation 1

Où T = température au niveau de la résistance.

Par exemple, en commençant avec un courant de 1 A (maximum) par partie du moteur BLDC sur un circuit imprimé en cuivre de 1 oz, il est possible de calculer une longueur (L) R_SENSE de 1 pouce et une largeur de piste de 50 mil (0,05 pouce), R_SHUNT à 20°C à l'aide des Équations 2 et 3 :

Équation 2

Équation 3

La dissipation de puissance de cette résistance avec un courant shunt de 1 A est calculée en utilisant l'Équation 4 :

Équation 4

Conversion avec un CAN à échantillonnage simultané

Le CAN de la Figure 2 convertit la tension à un point du cycle de phase en une représentation numérique. Il est essentiel que la tension de phase simultanée des trois enroulements fasse partie de cette mesure. Comme indiqué précédemment, étant donné qu'il s'agit d'un système équilibré, seuls deux des trois enroulements doivent être mesurés. Un microcontrôleur externe calcule la tension de phase du troisième enroulement.

Le CAN SAR à échantillonnage simultané double AD7380 (Figure 4) est un CAN approprié pour ce systèmes de commande de moteur.

Figure 4 : Un CAN SAR à échantillonnage simultané double, rapide et à faible bruit comme l'AD7380 peut capturer une image instantanée de deux des enroulements du moteur. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Sur la Figure 4, l'AD8479 est un amplificateur différentiel de précision avec une plage de tensions de mode commun d'entrée très élevée (±600 V) permettant de résister à d'importantes excursions de courant du moteur provenant du variateur sans capteur triphasé. Les caractéristiques de l'AD8479 sont telles qu'il peut remplacer les amplificateurs d'isolement coûteux dans les applications n'exigeant pas d'isolation galvanique.

Les caractéristiques clés de l'AD8479 incluent également une faible tension de décalage, une faible dérive de tension de décalage, une faible dérive de gain, une faible dérive de réjection du mode commun et un excellent taux de réjection du mode commun (TRMC) pour s'adapter aux changements rapides du moteur.

Les dispositifs AD7380/AD7381 sont des CAN SAR à échantillonnage simultané double de 16 bits/14 bits (respectivement), haute vitesse et basse consommation qui offrent des débits atteignant 4 Méch./s. L'entrée analogique différentielle accepte une vaste plage de tensions d'entrée de mode commun. Une référence (REF) interne de 2,5 V en tampon est incluse.

Pour obtenir un contrôle précis du couple et de la vitesse, la structure de CAN SAR à échantillonnage simultané double effectue une capture instantanée de la sortie de l'amplificateur de détection du courant. Pour cela, les dispositifs AD7380/AD7381 ont deux CAN internes identiques qui sont cadencés simultanément. Ils ont également chacun un étage d'entrée capacitif avec un réseau de redistribution de charge capacitif (Figure 5).

Figure 5 : Étage de conversion CAN pour l'un des deux canaux de l'AD7380. L'acquisition du signal commence lorsque S_W3 est ouvert et S_W1 et S_W2 sont fermés. À ce stade, la tension au niveau de C_S change pour passer à A_INx+ et A_INx-, provoquant un déséquilibre des entrées du comparateur. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans la Figure 5, V_REF et la masse sont les tensions initiales au niveau des condensateurs d'échantillonnage, C_S. L'ouverture de S_W3 et la fermeture de S_W1 et de S_W2 initient l'acquisition du signal. Lorsque S_W1 et S_W2 se ferment, la tension au niveau des condensateurs d'échantillonnage, C_S, change en fonction de la tension à A_INx+ et A_INx-, provoquant un déséquilibre des entrées du comparateur. SW1 et SW2 sont ensuite ouverts et la tension au niveau de C_S est capturée.

Le processus de capture de la tension C_S implique des convertisseurs numérique-analogique (CNA). Les CNA ajoutent et soustraient des charges fixes de C_S pour rétablir l'équilibre du comparateur. À ce stade, la conversion est terminée, S_W1 et S_W2 sont ouverts, et S_W3 est fermé pour éliminer la charge résiduelle et préparer le prochain cycle d'échantillonnage.

Pendant le temps de conversion CNA, la logique de commande génère le code de sortie du CAN et les données sont accessibles depuis le dispositif via une interface série.

Conclusion

La mesure précise du couple et de la vitesse d'un moteur BLDC commence par une résistance shunt précise et économique. Comme on l'a vu, ce processus peut être mis en œuvre de manière rentable à l'aide d'une piste de circuit imprimé.

En ajoutant cela à la combinaison d'un amplificateur de détection du courant AD8479 et d'un CAN SAR à échantillonnage simultané AD7380, un concepteur peut créer une interface de mesure robuste et haute précision de système de contrôle du couple et de la vitesse pour des applications de commande de moteur en environnements hostiles.