La principale différence entre ces deux types de moteurs réside dans la conception des enroulements du stator. Le moteur BLDC est idéalement commuté par un signal trapézoïdal, relativement facile à générer. En revanche, le moteur PMSM (illustré sur la figure 1) nécessite un signal de commutation sinusoïdal, plus complexe à générer.
Bien qu'il nécessite une forme d'onde plus complexe, le moteur PMSM présente l'avantage d'une ondulation de couple plus faible et d'un niveau sonore réduit. C'est pourquoi il est souvent privilégié dans les applications exigeant un fonctionnement fluide et silencieux, comme les appareils électroménagers haut de gamme, l'outillage électroportatif et l'automatisation industrielle.
Historiquement, la commutation sinusoïdale était gérée par des algorithmes implémentés dans le microcontrôleur (MCU), ce qui nécessitait une optimisation et un réglage poussés pour assurer le bon fonctionnement avec le moteur choisi et répondre aux exigences de l'application. De plus, les performances du MCU devaient être suffisantes pour exécuter l'algorithme de commande à la vitesse maximale requise tout en gérant simultanément le traitement au niveau de l'application.
Détection de position et démarrage progressif :
Contrairement à un moteur à balais, où la simple mise sous tension assure l’alimentation des bobines nécessaires au démarrage, quelle que soit la position du rotor à l’arrêt, le démarrage et le fonctionnement d’un moteur BLDC nécessitent la connaissance de la position actuelle du rotor. Cette information est indispensable pour alimenter les bobines appropriées et orienter la rotation du rotor dans le bon sens. Les moteurs sans balais intègrent généralement des capteurs pour détecter cette position. Une configuration sans capteur permet quant à elle de s’affranchir des coûts et des problèmes de fiabilité potentiels liés aux capteurs (tels que les capteurs à effet Hall).
Dans ce cas, il est nécessaire de déplacer le rotor immobile vers une position de départ connue avant d’alimenter les bobines. Sans précautions adéquates, le rotor et les éléments qui y sont fixés pourraient se mettre à tourner en sens inverse.
Lors de l’alimentation des bobines, il convient de limiter les bruits et vibrations excessifs dus à la commutation PWM pendant la période où aucune force contre-électromotrice (FCEM) exploitable n’est disponible pour déterminer l’angle du rotor. En pratique, l’algorithme de commande du moteur fonctionne alors à l’aveugle. Dès qu’une FCEM suffisante est disponible, le contrôleur moteur peut basculer vers le mode de commande choisi.
Réglage précis du variateur :
La capacité à démarrer le moteur et à sélectionner sa vitesse, quelle que soit la méthode employée, ne représente qu’une partie des fonctions nécessaires à son bon fonctionnement. Le concepteur du variateur doit pouvoir intégrer le contrôleur à des MOSFET de tension et de puissance adaptées à l’application. Il doit également être en mesure d’optimiser les paramètres (tels que l’accélération, l’angle d’avance et la fréquence PWM) afin de garantir une réponse appropriée du système aux commandes de l’utilisateur et une efficacité énergétique maximale dans toutes les conditions de fonctionnement.
Commande sans microcontrôleur :
Le pré-pilote sinusoïdal Toshiba TC78B011FTG élimine le besoin d'un microcontrôleur. Cette puce paramétrable pour la commande de moteurs triphasés sans capteur et sans balais est un hacheur à modulation de largeur d'impulsion (PWM) qui peut être connecté à des MOSFET canal N externes, côté haut et côté bas, permettant ainsi une implémentation d'onduleur évolutive adaptée à une large gamme de moteurs.
Bien que le dispositif assure une commande de vitesse en boucle ouverte, la commande en boucle fermée est plus courante. Celle-ci maintient la vitesse cible indépendamment des variations d'alimentation ou de charge, avec une courbe de vitesse ajustable. Ceci est possible en configurant précisément le mode de fonctionnement via l'interface I2C, avec la possibilité d'enregistrer les paramètres dans une mémoire non volatile (NVM). Cela permet de programmer les paramètres appropriés lors de la fabrication pour les circuits qui n'utilisent ni microcontrôleur ni processeur.
De plus, la vitesse du moteur peut être ajustée en écrivant dans un registre via l'interface I2C de la puce, et peut également être déterminée à l'aide d'une entrée PWM ou d'un signal analogique. Le freinage et la direction sont également contrôlés par les paramètres des registres ou par des broches externes. Le courant et la vitesse de rotation du moteur peuvent être lus à partir de broches externes pendant son fonctionnement.
Positionnement plus précis :
après la mise sous tension, le TC78B011FTG récupère la configuration du dispositif stockée dans sa mémoire non volatile (voir figure 2). À ce stade, une séquence de freinage peut être appliquée en court-circuitant les bobines appropriées de l’onduleur du moteur afin d’immobiliser le rotor avant toute tentative de rotation. Une fois la séquence d’initialisation terminée, après environ 3,5 ms, le pilote passe en mode veille, tous les MOSFET étant désactivés, et attend de nouvelles instructions du système hôte.
Figure 2 : Diagramme de flux opérationnel illustrant l'initialisation de la configuration NVM et le démarrage du moteur à commutation forcée
La vitesse requise peut être définie via I2C sur le registre de commande de vitesse (SPD) ou appliquée sous forme de signal PWM ou analogique à la broche SPD. Dès réception de l'un de ces signaux, la séquence de démarrage du moteur est lancée. Le processus débute par une excitation en courant continu des enroulements du moteur, ce qui amène le rotor en position de démarrage. Une fois cette étape terminée, la commutation forcée du moteur commence. Durant cette phase, un champ électrique soudain est appliqué lors d'une commutation à 120° afin de générer une force contre-électromotrice initiale. Une fonction de démarrage progressif configurable est également intégrée (comme illustré sur la figure 3), limitant le courant consommé lors de la mise en rotation du moteur. La régulation de vitesse durant cette phase est entièrement en boucle ouverte.
Figure 3 : Limitation du courant de sortie pendant le démarrage
Le système bascule en mode de contrôle sans capteur, avec la limite de courant réglée pour un fonctionnement normal, dès que le moteur atteint une vitesse de rotation suffisante pour générer une force contre-électromotrice (FCEM) exploitable par l'algorithme de contrôle. La régulation de vitesse en boucle fermée peut alors être activée.
Le rotor peut déjà tourner avant la mise sous tension, par exemple sous l'effet du passage de l'air sur une pale de ventilateur. Dans ce cas, appelé fonctionnement au ralenti ou en moulinet, le contrôleur moteur ignore les étapes d'excitation initiale et de commutation forcée et passe directement en mode de contrôle sans capteur. Dans une application typique, la mesure de la FCEM peut s'avérer trop sensible dans ces situations, ce qui peut amener l'excitateur à tenter, à tort, de contourner les premières phases de démarrage en boucle ouverte. Le TC78B011FTG évite ce problème grâce à un registre permettant de modifier la vitesse minimale du rotor considérée comme suffisamment rapide pour court-circuiter le processus de démarrage. Par ailleurs, pour éviter les difficultés liées au démarrage d'un moteur au ralenti, le contrôleur peut être configuré pour appliquer la séquence de freinage à chaque sortie du mode veille ou de l'allumage, permettant ainsi au rotor de toujours démarrer à partir de l'arrêt.
Réglage amélioré :
Pour une régulation de vitesse flexible en boucle fermée, le circuit intégré TC78B011FTG dispose de registres permettant de définir l’intervalle de temps entre chaque changement de vitesse et la rapidité des variations. Les vitesses prises en charge sont configurables en contrôlant individuellement les cycles de service de démarrage, d’arrêt et maximal. Le régime moteur associé aux valeurs de démarrage et maximale peut également être défini (voir figure 4), et jusqu’à deux pentes de vitesse entre le régime de démarrage et le régime maximal peuvent être définies.
Figure 4. Vitesse minimale et maximale. Il est possible de paramétrer la vitesse minimale et maximale. Deux paliers de vitesse différents sont disponibles
La fréquence de la sortie PWM peut être fixe ou configurée pour augmenter automatiquement avec la vitesse du moteur, optimisant ainsi le rendement. La plage de fréquences disponible s'étend de 23,4 kHz à 187,5 kHz. Le réglage de la fréquence PWM permet également aux concepteurs de garantir la conformité aux exigences de compatibilité électromagnétique (CEM) applicables.
Un registre permet d'ajuster l'angle d'avance en fonction des caractéristiques du moteur, optimisant ainsi le rendement énergétique et minimisant le bruit audible. Pour un fonctionnement le plus silencieux possible, l'angle d'avance peut être ajusté afin que la force contre-électromotrice (FCEM) et le courant moteur soient en phase.
Le circuit intégré comprend trois pré-pilotes en demi-pont pour MOSFETs à canal N externes. Ils peuvent fournir une tension grille-source (VGSS) jusqu'à 8 V supérieure à la tension d'alimentation du moteur et peuvent être configurés pour fournir un courant grille-source (IGSS) de 10 mA à 100 mA pour les MOSFETs de haut et de bas niveau.
La fréquence de commutation maximale utilisable peut être limitée par le choix du MOSFET et du moteur. La force contre-électromotrice étant mesurée pour la détection de position pendant la phase d'arrêt du signal PWM, le choix d'un moteur à forte inductance ou de MOSFET à faible performance de commutation peut entraîner une défaillance de la détection de position. Pour éviter cela, la fréquence PWM optimale peut être déterminée en testant les réglages appropriés dans toutes les conditions de fonctionnement.
La puce intègre également des fonctions de sécurité, telles qu'une protection contre les déclenchements intempestifs avec un temps mort configurable. Un registre d'état signale les anomalies telles qu'une consommation de courant excessive, une tension de pompe de charge trop faible, une coupure thermique et un échec de démarrage. Lorsqu'une de ces situations se produit, un signal d'alerte (broche) est activé. Cette broche sert également à signaler une sous-tension et un fonctionnement du moteur en dehors des vitesses maximales et minimales prédéfinies. Le contrôleur peut être programmé pour attendre un signal d'une source externe après la détection d'une anomalie ou pour tenter de redémarrer le moteur en mode d'auto-récupération.
En conclusion
, les concepteurs peuvent tirer parti des avantages des moteurs BLDC, et notamment du type PMSM, réputé pour son fonctionnement silencieux et sans à-coups, sans avoir à développer un microcontrôleur. Ils peuvent s'appuyer sur des automates programmables offrant un fonctionnement autonome avec régulation en boucle fermée et réglage paramétrable de la vitesse. Une carte MikroE équipée du circuit intégré Toshiba TC78B011 et de MOSFET sélectionnés est déjà disponible pour évaluation. Ceci simplifiera davantage le processus de développement des systèmes de motorisation.
Par Anno Schmitz, ingénieur principal chez Toshiba Electronics Europe GmbH (diplômé en ingénierie)
