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Déterminer précisément la vitesse et la position angulaire d'un moteur à l'aide d'un résolveur

Par Bonnie Baker

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Le contrôle et la surveillance électroniques des systèmes mécaniques, tels que des moteurs industriels, des servomoteurs, des systèmes robotiques et des groupes motopropulseurs, sont importants pour l'amélioration du rendement, de la fiabilité et de la sécurité. Néanmoins, un contrôle efficace nécessite une détermination haute précision de la vitesse de rotation et de la rotation angulaire, ce qui constitue un défi en raison de l'environnement difficile et bruyant sur le plan électrique. La solution réside dans un résolveur soutenu par un convertisseur résolveur-numérique (R/N) précis et des amplificateurs opérationnels.

Cet article aborde brièvement les problèmes liés au contrôle et aux mesures précises de l'arbre, et explique pourquoi les résolveurs sont une bonne option pour de nombreuses applications. Il montre ensuite la manière dont la combinaison d'un résolveur, d'un convertisseur R/N, tel que l'AD2S1210 d'Analog Devices, et de circuits de filtres et d'amplificateurs d'attaque appropriés permet de créer un système de contrôle et de mesure de la vitesse et de la position robuste et hautement précis.

Construction du résolveur

Le résolveur est un dispositif électromécanique qui transforme le mouvement mécanique en signal électronique analogique. Il s'agit essentiellement d'un transformateur rotatif disposant d'une sortie de tension CA qui suit la position angulaire de l'arbre. Un rotor à enroulement simple tournant à l'intérieur d'un stator fixe constitue les deux éléments d'un résolveur. L'enroulement primaire du résolveur réside dans le stator, tandis que l'enroulement secondaire réside dans le rotor (Figure 1).

Schéma d'un résolveur à réluctance variable

Figure 1 : Un résolveur à réluctance variable possède deux bornes d'entrée (R1, R2), deux bornes de sortie sinusoïdale (S1, S3) et deux bornes de sortie cosinusoïdale (S2, S4). (Source de l'image : Analog Devices)

La plupart des tensions de résolveur sont spécifiées pour se situer entre 2 volts efficaces (VRMS) et 40 VRMS, avec des fréquences comprises entre 50 Hertz (Hz) et 20 kilohertz (kHz). Le rapport de transformation entre les amplitudes des signaux d'enroulements primaire et secondaire se situe entre 0,2 volts/volt (V/V) et 1 V/V. En règle générale, un résolveur hautes performances nécessite des tensions d'entrée élevées, qui à leur tour requièrent une électronique plus haute puissance pour répondre aux conditions de plage de sortie élevée et de vitesse de balayage plus rapide. Les précisions angulaires varient de 5 minutes d'arc à 0,5 minute d'arc, un degré comprenant 60 minutes d'arc et une minute d'arc comprenant 60 secondes d'arc.

Dans la Figure 1, l'excitation de tension de référence CA (VR = E0SIN(wt)) pour l'enroulement du rotor se situe entre R1 et R2. L'amplitude de tension induite sur tout enroulement de stator est proportionnelle au sinus de l'angle θ, entre l'axe de la bobine du rotor et l'axe de la bobine du stator. Avec une tension de référence CA du rotor de E0 sinωt, les tensions de sortie de borne du stator sont :

R1 – R2 = E0 sinωt Éq. 1

S3 – S1 = T x E0 sinωt x sin θ Éq. 2

S2 – S4 = T x E0 sinωt x sin(θ + 90°) = T x E0 sinωt x cosθ Éq. 3

Les deux signaux de sortie du stator correspondent à l'angle de l'arbre modulé par le sinus et le cosinus. Une représentation graphique du signal sinusoïdal d'excitation, avec une amplitude maximale à 90° et 270°, et les signaux de sortie sinus et cosinus présentent une amplitude maximale à 0° et 180° (Figure 2).

Graphique des signaux électriques d'entrée (R1 – R2) et de sortie du résolveur

Figure 2 : Signaux électriques d'entrée (R1 – R2) et de sortie du résolveur. Les deux signaux de sortie du stator correspondent à l'angle de l'arbre modulé par le sinus et le cosinus. (Source de l'image : Analog Devices)

Un circuit R/N hautes performances complet mesure de façon précise la position angulaire et la vitesse dans l'avionique, l'automobile et les applications industrielles critiques qui nécessitent une fiabilité élevée sur une vaste plage de températures (Figure 3).

Schéma d'un circuit R/N hautes performances

Figure 3 : Un circuit R/N hautes performances, avec des bornes de sortie différentielle (EXC:/EXC) et des bornes d'entrée différentielle sinus et cosinus (SIN:SINLO, COS:COSLO). Remarque : EXC correspond à EXE sur la Figure 5. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans la Figure 3, le circuit R/N présente un circuit d'attaque de rotor du résolveur offrant deux modes de fonctionnement : basse consommation et hautes performances. À l'état basse consommation, le système d'alimentation simple +6 V fonctionne tout en consommant moins de 100 milliampères (mA). L'ensemble du système fournit 3,2 VRMS (9,2 volts p-p) au résolveur. À l'état hautes performances, le système fonctionne l'aide d'une alimentation simple +12 V, fournissant ainsi 6,4 VRMS (18 volts p-p) au résolveur.

Les filtres actifs de 3e ordre à la sortie du circuit R/N vers le rotor du résolveur et les sorties du stator du résolveur vers les entrées SIN/COS du circuit R/N minimisent les effets du bruit de quantification du système. La vitesse de suivi maximum du circuit R/N est de 3125 révolutions par seconde (RPS) en mode 10 bits, la résolution correspondant à 21 minutes d'arc. En mode 16 bits, la vitesse de suivi maximum du circuit R/N est de 156,25 RPS, offrant une résolution de 19,8 secondes d'arc.

Considérations relatives à la conception d'une chaîne de signaux

Le circuit R/N AD2S1210WDSTZRL7 d'Analog Devices intègre un convertisseur numérique-analogique (CNA) 10, 12, 14 ou 16 bits programmable et un convertisseur analogique-numérique (CAN) 10, 12, 14 ou 16 bits, ainsi que deux filtres passe-bas de 3e ordre et un résolveur. Le premier filtre de 3e ordre se situe à la sortie du convertisseur R/N dans les bornes de rotor du résolveur R1 et R2. Le second filtre passe-bas de 3e ordre intercepte le signal sinusoïdal du stator du résolveur à S1 et S3 et le signal cosinusoïdal à S2 et S4. En règle générale, le système nécessite une bande passante importante, une capacité suffisante d'entraînement de sortie et la possibilité de basculer entre les configurations basse consommation et hautes performances.

Dans ce circuit, le CNA interne du circuit R/N génère un signal d'excitation sinusoïdal de 10, 12, 14 ou 16 bits avec une tension crête-à-crête de 3,6 V, sur une plage de 3,2 V à 4,0 V.

À la sortie du AD2S1210 se trouve un filtre passe-bas de 3e ordre comprenant un amplificateur opérationnel rail-à-rail AD8692ARMZ-REEL d'Analog Devices et un amplificateur à fort courant de sortie rail-à-rail AD8397ARDZ-REEL7 d'Analog Devices.

Avec une alimentation +5 V, la plage de sortie de l'amplificateur opérationnel CMOS double AD8692 à faible bruit est comprise entre 0,29 V et 4,6 V. Les résistances et les condensateurs autour de cet amplificateur implémentent deux des trois pôles de filtre de Butterworth. L'amplificateur à fort courant de sortie AD8397 permet l'intégration du mode basse consommation, par rapport au mode hautes performances, à un étage de gain commutable et une capacité de tension d'alimentation plus élevée, ainsi qu'au troisième pôle de filtre passe-bas. Avec une alimentation de +6 V vers l'AD8397, la plage de sortie est comprise entre 0,18 V et 5,87 V. Avec une tension d'alimentation de +12 V, la plage de tensions de sortie est comprise entre 0,35 V et 11,7 V.

Sur le côté sortie du stator, un amplificateur opérationnel quadruple rail-à-rail CMOS à faible bruit AD8694ARUZ-REEL d'Analog Devices est connecté aux broches SIN (S1 et S3) et COS (S2 et S4) du résolveur. L'AD8694, qui fait partie de la même famille que l'AD8692 double, a une plage de tensions de sortie de 0,37 V à 4,6 V avec une alimentation de +5 V. Les entrées différentielles du convertisseur R/N AD2S1210 (SIN, SOLO, COS, COSLO) présentent une plage de signaux crête-à-crête pour les signaux sinusoïdaux et cosinusoïdaux du résolveur typiquement de 3,15 V, avec une plage de 2,3 V à 4,0 V.

Idéalement, dans ce système, le déphasage total de la chaîne de signaux correspond à n × 180° − 44° ≤ φ ≤ n × 180° + 44°, n étant un nombre entier.

Détails du circuit R/N

Les considérations de conception d'une chaîne de signaux incluent l'amplitude et la fréquence, ainsi que la stabilité et le déphasage, tandis que le modèle d'impédance d'enroulement du rotor du résolveur contient des éléments inductifs et résistifs.

La plage de signaux d'excitation du circuit R/N AD2S1210 s'étend de 2 kHz à 20 kHz, avec des incréments de 250 Hz. Le signal d'excitation du rotor appliqué depuis l'AD8397 interface avec une inductance non idéale et un composant résistif. Un composant résistif et réactif typique s'étend de 50 ohms (Ω) à 200 Ω, et de 0 Ω à 200 Ω. Les tensions d'excitation standard du rotor pouvant atteindre 20 V p-p (7,1 VRMS), il est donc essentiel de tenir compte du courant maximum et de la consommation énergétique maximum du circuit d'attaque du résolveur. Pour accommoder cette interface, l'AD8397 offre un fort courant de sortie (310 mA crête dans 32 Ω à partir d'alimentations ±12 V), une vaste plage d'alimentation (24 V), un boîtier à faible résistance thermique (SOIC EP à 8 broches, θJA = 47,2°C/watt [W]) et une tension de sortie rail-à-rail.

Circuits d'attaque et filtre de 3e ordre d'excitation du résolveur

Le CNA interne AD2S1210 génère des signaux de sortie d'excitation (EXC), qui produisent une distorsion de quantification (Figure 4).

Graphique d'un signal de sortie de 10 kHz mesuré à la broche de sortie d'excitation EXC de l'AD2S1210

Figure 4 : Signal de sortie de 10 kHz mesuré à la broche de sortie d'excitation EXC de l'AD2S1210. (Source de l'image : Analog Devices)

S'il n'est pas filtré, le bruit de sortie de la broche EXC de l'AD2S1210 (illustré à la Figure 4) se propage dans le résolveur et retourne vers les broches SIN, SINLO, COS et COSLO de l'AD2S1210.

En outre, une attention particulière doit être portée aux niveaux de gain et de signal dans le circuit d'excitation, afin que le circuit d'attaque de sortie AD8397 ne sature pas. Le filtre du signal de sortie et l'étage d'amplificateur de puissance de l'AD2S1210 répondent aux exigences rigoureuses de l'étage d'entrée inductive du résolveur (Figure 5).

Schéma du circuit d'attaque d'excitation et du circuit de filtre

Figure 5 : Circuit d'attaque d'excitation et circuit de filtre entre les bornes de sortie EXC du circuit R/N et la borne d'entrée R1. Remarque : EXE correspond à EXC dans la Figure 2. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans la Figure 4, le gain CC du circuit de filtre AD8692 est de -1 V/V. Le commutateur SPST quadruple S1 ADG1612BRUZ-REEL d'Analog Devices se ferme pour créer la condition de mode hautes performances avec une tension VCC élevée (≥ +12 V). Lorsque S1 est fermé, le gain de l'étage du circuit d'attaque AD8397 est d'environ 2,5 V/V. Le gain de 2,5 V/V peut créer une sortie de 10 V p-p à partir d'une entrée EXE de 4,0 V p-p. Pour le mode basse consommation, où S1 est ouvert, le gain est de 1,28 V/V. Dans cette configuration, une entrée EXE de 4,0 V p-p produit une sortie de 5,12 V p-p.

La configuration de l'AD8692 est un filtre passe-bas Butterworth de troisième ordre à rétroaction multiple (MFB). En règle générale, le produit gain-bande passante (GBWP) de l'amplificateur correspond à au moins vingt fois la fréquence de coupure du filtre actif de -3 décibels (dB). La fréquence de coupure est de 88 kHz dans la Figure 5 et le produit GBWP de l'AD8692 est de 10 MHz, ce qui correspond à 113 fois la fréquence de coupure. Typiquement, le déphasage de ce circuit est de 180° ±15°. Dans le circuit de la Figure 4, la fréquence de coupure de -3 dB du filtre est de 88 kHz ; le déphasage est de -13° à 10 kHz.

L'amplificateur opérationnel double AD8692 sert de filtre de Butterworth actif de 3e ordre afin de réduire le bruit du signal de commande (Figure 6).

Graphique du bruit du signal considérablement réduit

Figure 6 : Lorsque le signal de sortie du convertisseur R/N circule à travers le filtre et le circuit d'attaque d'excitation, le bruit relatif au signal est considérablement réduit et prêt pour l'entrée du résolveur à R1. (Source de l'image : Analog Devices)

Les données de la Figure 6 illustrent une réduction considérable de la distorsion de quantification du CNA interne de l'AD2S1210.

De la même façon, les circuits du récepteur SIN (S1 et S3) et COS (S2 et S4) utilisent deux amplificateurs opérationnels quadruples AD8694 en tant que filtre antiparasite actif. Le déphasage total entre la broche EXC de l'AD2S1210 (CH1 jaune) et la broche d'entrée SIN (CH2 bleue) est d'environ 40°, ce qui est inférieur à la valeur de conception maximum de 44° (Figure 7).

Graphique d'un déphasage de signal causé par le circuit d'attaque analogique

Figure 7 : Déphasage de signal causé par le circuit d'attaque analogique et le filtre dans l'entrée du résolveur, le résolveur et le filtre analogique jusqu'au convertisseur R/N. La capture de l'écran de l'oscilloscope illustre le déphasage entre les broches EXC et SIN de l'AD2S1210. (Source de l'image : Analog Devices)

Performances système

Le circuit d'évaluation pour cet article utilise la carte à circuit EVAL-CN0276-SDPZ d'Analog Devices et la carte de contrôleur de plateforme système EVAL-SDP-CB1Z d'Analog Devices (Figure 8).

Schéma fonctionnel de la configuration de test

Figure 8 : Schéma fonctionnel de la configuration de test correspondant aux Figures 4, 6, 7, 10 et 11. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans la Figure 8, des connecteurs homologues à 120 broches entre les deux cartes permettent l'évaluation des performances du circuit et la configuration rapides.

L'EVAL-CN0276-SDPZ contient le circuit complet, tandis que l'EVAL-SDP-CB1Z (SDP-B), conjointement avec le logiciel d'évaluation CN-0276, échange les données provenant de la carte EVAL-CN0276-SDPZ (Figure 9).

Image de la carte à circuit imprimé EVAL-CN0276-SDPZ d'Analog Devices

Figure 9 : La carte à circuit imprimé EVAL-CN0276-SDPZ contient le circuit complet du convertisseur R/N. (Source de l'image : Analog Devices)

Avec la mesure du bruit système global, une position fixe sur le résolveur, le TS2620N21E11 de Tamagawa, génère un histogramme de codes de sortie. L'histogramme de sortie des codes de l'AD2S1210 pour les modes de précision angulaire 10 bits et 16 bits affiche la combinaison du CNA de transmission et du CAN de réception (Figures 10 et 11). Dans cet article, le résolveur TS2620N21E11 présente un déphasage de 0° et un rapport de transformation de 0,5. Les charges de sortie sinus (SIN) et cosinus (COS) du résolveur sont équivalentes et correspondent à au moins vingt fois l'impédance de sortie du résolveur.

Graphique d'EXE effectuant une transmission en mode de précision angulaire 10 bits

Figure 10 : EXE effectuant une transmission en mode de précision angulaire 10 bits, SIN/COS effectuant une réception avec une résolution CAN 16 bits. (Source de l'image : Analog Devices)

Graphique d'EXC effectuant une transmission en mode de précision angulaire 16 bits

Figure 11 : EXC effectuant une transmission en mode de précision angulaire 16 bits, SIN/COS effectuant une réception avec une résolution CAN 16 bits. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans les Figures 10 et 11, la tension VCC est égale à 12 V, ce qui place les 16 bits complets du convertisseur R/N en mode hautes performances.

Conclusion

La combinaison de résolveurs et d'un convertisseur résolveur-numérique, tel que l'AD2S1210 d'Analog Devices, offre un système de contrôle de la vitesse et de la position robuste et haute précision pour les applications de commande moteur potentiellement nuisibles à l'environnement.

Afin d'offrir les meilleures performances globales, les dispositifs AD8694 et AD8397 se combinent pour créer des circuits de tampon/filtre qui amplifient les signaux d'excitation et offrent la commande appropriée au résolveur, ainsi que le filtrage et la rétroaction des signaux secondaires. Grâce à la résolution variable, à la génération de référence et au diagnostic intégré de l'AD2S1210, le convertisseur R/N constitue la solution idéale pour les applications de résolveur.

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À propos de l'auteur

Bonnie Baker

Bonnie Baker est un auteur-collaborateur chez Digi-Key Electronics. Burr-Brown, Microchip et Texas Instruments ont contribué à son implication dans la conception analogique et les systèmes analogiques au cours des 30 dernières années. Bonnie Baker est titulaire d'un master en génie électrique de l'Université de l'Arizona (Tucson, Arizona) et d'une licence en éducation musicale de la Northern Arizona University (Flagstaff, Arizona). En plus de son intérêt pour la conception analogique, elle a le désir de partager ses connaissances et son expérience, et elle a rédigé plus de 450 articles, notes de conception et notes d'application.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key