Premiers pas avec le contrôle à champ orienté sans capteur de moteurs BLDC et Infineon

Les moteurs électriques sont omniprésents, dans nos maisons, sur nos lieux de travail et dans nos véhicules. Dans une automobile moderne typique, par exemple, on trouve en moyenne 35 moteurs répartis dans tout le véhicule. Les moteurs CC standard et les moteurs CC sans balais (BLDC) sont utilisés pour les applications s'étendant des pompes à carburant aux lève-vitres (Figure 1).

Figure 1 : Applications typiques pour moteurs CC et moteurs CC sans balais (BLDC). (Source de l'image : Infineon)

Avec la croissance des véhicules électriques et électriques hybrides, la tendance est même à la hausse quant au nombre de moteurs par véhicule. En plus de l'industrie automobile, les moteurs CC et BLDC sont largement utilisés dans de nombreuses applications d'automatisation industrielle, de contrôle et de robotique.

Les moteurs BLDC sont généralement utilisés dans les applications plus exigeantes, car ils offrent des performances supérieures à celles des moteurs CC à balais. Les moteurs BLDC fournissent un rendement supérieur, une durée de vie plus longue et un rapport couple-poids supérieur par rapport aux moteurs CC. Les inconvénients des moteurs BLDC incluent leur coût plus élevé et la nécessité de circuits de contrôleur supplémentaires.

À titre personnel, j'ai récemment mis à niveau ma perceuse-visseuse à percussion sans fil d'une technologie de moteur CC à balais à une version sans balais. L'amélioration du couple et de l'autonomie de la batterie a été remarquable et le coût supplémentaire en vaut la peine.

Moteurs BLDC

Les moteurs BLDC sont une variante d'un moteur CC standard traditionnel. La différence fondamentale est que le moteur BLDC exige que la commutation soit effectuée par des moyens électroniques plutôt que par des balais mécaniques. Le rotor d'un moteur BLDC est composé d'aimants permanents et le stator est enroulé avec un ensemble de pôles correspondant. Un circuit de commande est utilisé pour alimenter les enroulements et générer un champ rotatif. Le mouvement et le couple sont générés lorsque les aimants du rotor essaient de s'aligner avec le champ du stator rotatif.

Contrôle à champ orienté (FOC) sans capteur

Le contrôle à champ orienté (FOC) sans capteur est l'une des méthodes utilisées pour contrôler la vitesse et le couple d'un moteur BLDC. Le contrôle à champ orienté (également appelé contrôle vectoriel) est une technique utilisée pour générer une modulation sinusoïdale triphasée qui peut ensuite être contrôlée en fréquence et en amplitude. Des calculs sont utilisés pour transformer les signaux à trois phases en signaux à deux phases qui sont plus faciles à contrôler et à implémenter dans le circuit de commande moteur. Le contrôle sans capteur élimine les capteurs de position et mesure plutôt la force contre-électromotrice (FCEM) pour déterminer la position du rotor.

Implémentation du contrôle à champ orienté sans capteur dans un microcontrôleur

L'implémentation du contrôle à champ orienté sans capteur nécessite de mesurer les signaux et d'effectuer des calculs mathématiques. Un microcontrôleur doté des performances et de l'ensemble de périphériques requis est un bon moyen d'implémenter cette fonctionnalité. Le TLE9879QXA40 d'Infineon est un système sur puce (SoC) de variateur moteur à 3 phases monopuce qui intègre un cœur Arm® Cortex®-M3 (Figure 2).

Figure 2 : Schéma fonctionnel de l'application du TLE9879x. (Source de l'image : Infineon)

Il inclut six circuits d'attaque NFET entièrement intégrés et optimisés pour commander un moteur à 3 phases via six transistors NFET de puissance externes, une pompe à charge permettant un fonctionnement basse tension, et un courant programmable avec un contrôle de pente de courant pour un comportement CEM optimisé. Son ensemble de périphériques inclut un capteur de courant, un CAN à approximations successives synchronisé avec l'unité de capture et de comparaison pour le contrôle PWM, et des temporisateurs 16 bits. Un émetteur-récepteur LIN est également intégré pour permettre la communication avec le dispositif, ainsi que plusieurs E/S à usage général. Il inclut un régulateur de tension linéaire intégré pour les charges externes.

Le TLE9879QXA40 d'Infineon est une solution adéquate pour implémenter le contrôle à champ orienté de moteurs BLDC. Il offre les performances et les fonctionnalités nécessaires pour implémenter un variateur moteur BLDC hautes performances et rentable dans un espace carte minimal. La note d'application détaillée relative au contrôle à champ orienté sans capteur avec SoC de puissance embarqué explique la théorie du contrôle à champ orienté et la manière d'implémenter l'algorithme.

Mise en route

La carte d'évaluation économique BLDC_SHIELD_TLE9879 d'Infineon est un moyen simple de démarrer avec le contrôle à champ orienté sans capteur. Elle est basée sur le TLE9879QXA40 et est conçue pour commander des moteurs BLDC en combinaison avec une carte de base compatible Arduino. En la combinant avec une carte Arduino Uno et un moteur BLDC compatible, vous pourrez être opérationnel et faire tourner le moteur en moins d'une heure (Figure 3).

Figure 3 : Carte BLDC_SHIELD_TLE9879 montée sur une carte de base Arduino Uno. (Source de l'image : Infineon)

Les schémas, la bibliothèque Arduino et la documentation complète pour la carte BLDC_SHIELD_TLE9879 sont disponibles sur https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield. Pendant mes recherches pour cet article, j'ai passé du temps à travailler avec la carte Uno et le shield pour me familiariser avec la commande d'un moteur BLDC. Les étapes de configuration, le code de test et les références sont inclus dans mon projet sur la commande d'un moteur BLDC avec le shield de variateur moteur triphasé TLE9879Qx d'Infineon publié sur le TechForum de DigiKey.

Développement d'applications

Pour ceux qui veulent en savoir plus sur la conception et le développement basés sur le TLE9879Qx, Infineon propose d'autres ressources. Pour commencer, le code source du micrologiciel installé sur le shield BLDC est disponible en tant que fichiers de projet Keil uVision. Les fichiers de projet sont inclus dans le téléchargement logiciel « BLDC Shield for Arduino with TLE9879QXA40 » d'Infineon via le lien BLDC_SHIELD_TLE9879 de la page de projet du shield. Par ailleurs, en plus du shield BLDC, la conception de référence de pompe REF_WATERPUMP100W et la conception de référence de ventilateur REF_ENGCOOLFAN1KW sont disponibles chez DigiKey.

Conclusion

La carte d'évaluation BLDC_SHIELD_TLE9879 d'Infineon offre un moyen rapide et économique de commencer à utiliser le contrôle à champ orienté sans capteur pour commander des moteurs BLDC. La carte constitue également une bonne ressource pour les utilisateurs plus avancés qui souhaitent évaluer le TLE9879QXA40 et se lancer avec le code source fourni.

Références externes

1 – Infineon. "Motor Handbook"

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-motorcontrol_handbook-AdditionalTechnicalInformation-v01_00-EN.pdf