Commande de moteur sans balais par signaux EMF inversés - compréhension du processus

Lorsque j'ai commencé à développer une unité de contrôle pour un moteur sans balais (roue-moteur), il y avait beaucoup de questions sur la façon de comparer un vrai moteur avec un circuit abstrait de trois enroulements et aimants, sur lequel, en règle générale, tout le monde explique le principe de contrôle des moteurs sans balais.

Lorsque j'ai implémenté le contrôle par des capteurs Hall, je ne comprenais toujours pas vraiment ce qui se passait dans le moteur au-delà des trois enroulements abstraits et des deux pôles: pourquoi il faisait 120 degrés et pourquoi l'algorithme de contrôle est exactement comme ça.

Tout s'est mis en place lorsque j'ai commencé à comprendre l'idée du contrôle sans capteur d'un moteur sans balais - une compréhension du processus se déroulant dans un véritable morceau de fer a aidé à développer le matériel et à comprendre l'algorithme de contrôle.

Ci-dessous, je vais essayer de peindre ma façon de comprendre le principe de la commande d'un moteur CC sans balais.



Pour le fonctionnement d'un moteur sans balais, il est nécessaire que le champ magnétique constant du rotor soit emporté derrière le champ électromagnétique rotatif du stator, comme dans un DPT conventionnel.

La rotation du champ magnétique du stator s'effectue en commutant les enroulements à l'aide d'une unité de commande électronique.
La conception d'un moteur sans balais est similaire à la conception d'un moteur synchrone, si vous connectez un moteur sans balais à un réseau CA triphasé qui satisfait les paramètres électriques du moteur, cela fonctionnera.

Une certaine commutation des enroulements d'un moteur sans balais permet de le contrôler à partir d'une source de courant continu. Pour comprendre comment faire une table de commutation d'un moteur sans balais, vous devez considérer le contrôle d'une machine à courant alternatif synchrone.

Machine synchrone
La machine synchrone est contrôlée par un réseau AC triphasé. Le moteur a 3 enroulements électriques, compensés de 120 degrés électriques.

En démarrant le moteur triphasé en mode générateur, l'EMF sera induite par un champ magnétique constant sur chacun des enroulements du moteur, les enroulements du moteur seront répartis uniformément, une tension sinusoïdale sera induite sur chacune des phases et ces signaux seront compensés par 1/3 du temps (figure 1). La forme de l'EMF change selon une loi sinusoïdale, la période de l'onde sinusoïdale est de 2P (360), car nous avons affaire à des quantités électriques (EMF, tension, courant) que nous appellerons ces degrés électriques et nous mesurerons la période en eux.

Lorsqu'une tension triphasée est appliquée au moteur à chaque instant, chaque enroulement aura une certaine valeur de courant.


                                                Figure 1. Vue du signal d'une source CA triphasée.

Chaque enroulement forme un vecteur de champ magnétique proportionnel au courant sur l'enroulement. En ajoutant 3 vecteurs, vous pouvez obtenir le vecteur de champ magnétique résultant. Puisque, au fil du temps, le courant sur les enroulements du moteur change selon une loi sinusoïdale, la magnitude du vecteur de champ magnétique de chaque enroulement change, et le vecteur total résultant change l'angle de rotation, tandis que la magnitude de ce vecteur reste constante.

                                                       Figure 2. Une période électrique d'un moteur triphasé.

La figure 2 montre une période électrique d'un moteur triphasé, 3 moments arbitraires sont indiqués sur cette période, afin de construire un vecteur de champ magnétique à chacun de ces moments, nous reportons cette période, 360 degrés électriques, sur le cercle. Nous plaçons 3 enroulements moteurs décalés de 120 degrés électriques les uns par rapport aux autres (figure 3).

     Figure 3. Moment 1. Le vecteur de champ magnétique de chaque enroulement (à gauche) et le vecteur de champ magnétique résultant (à droite).

Un vecteur de champ magnétique est créé le long de chaque phase, créé par l'enroulement du moteur. La direction du vecteur est déterminée par la direction du courant continu dans l'enroulement, si la tension appliquée à l'enroulement est positive, alors le vecteur est dirigé dans la direction opposée à l'enroulement, s'il est négatif, puis le long de l'enroulement. La magnitude du vecteur est proportionnelle à la magnitude de la tension de phase à l'instant donné.
Pour obtenir le vecteur de champ magnétique résultant, il est nécessaire d'ajouter les données vectorielles selon la loi d'addition des vecteurs.
De même, la construction pour les deuxième et troisième points dans le temps.

      Figure 4. Moment 2. Le vecteur de champ magnétique de chaque enroulement (à gauche) et le vecteur de champ magnétique résultant (à droite).

Ainsi, au fil du temps, le vecteur résultant change progressivement de direction, la figure 5 montre les vecteurs résultants et montre la rotation complète du champ magnétique du stator en une période électrique.

                                 Figure 5. Vue du champ magnétique tournant généré par les enroulements sur le stator du moteur.

Derrière ce vecteur du champ magnétique électrique, le champ magnétique des aimants à rotor permanent est emporté à chaque instant (figure 6).

                            Figure 6. Un aimant permanent (rotor) suit la direction du champ magnétique généré par le stator.

Voici comment fonctionne une machine CA synchrone.

Ayant une source de courant continu, il est nécessaire de former indépendamment une période électrique avec un changement dans les directions du courant sur les trois enroulements du moteur. Étant donné que le moteur sans balais est le même que le moteur synchrone en mode générateur et a des paramètres identiques, il est nécessaire de procéder à partir de la figure 5, qui montre le champ magnétique rotatif généré.

Tension constante
La source CC ne possède que 2 fils «puissance plus» et «puissance moins», ce qui signifie qu'il est possible de fournir une tension à seulement deux des trois enroulements. Il est nécessaire d'approximer la figure 5 et de mettre en évidence tous les points auxquels il est possible de commuter 2 phases sur trois.

Le nombre de permutations de l'ensemble 3 est de 6, il y a donc 6 options pour connecter les enroulements.
Nous allons décrire les options de commutation possibles et sélectionner une séquence dans laquelle le vecteur sera tourné étape par étape plus loin jusqu'à ce qu'il atteigne la fin de la période et recommence.

La période électrique sera comptée à partir du premier vecteur.


      Figure 7. Vue de six vecteurs de champ magnétique qui peuvent être créés à partir d'une source CC en commutant deux des trois enroulements.

La figure 5 montre que lors du contrôle d'une tension sinusoïdale triphasée, il existe de nombreux vecteurs qui tournent en douceur dans le temps, et lors de la commutation avec du courant continu, il est possible d'obtenir un champ tournant de seulement 6 vecteurs, c'est-à-dire que le passage à l'étape suivante doit se produire tous les 60 degrés électriques.
Les résultats de la figure 7 sont résumés dans le tableau 1.

 Tableau 1. La séquence résultante de commutation des enroulements du moteur.

Plus de puissance	Moins de puissance	Enroulement non connecté
W	U	V
W	V	U
U	V	W
U	W	V
V	W	U
V	U	W

Le type du signal de commande résultant, conformément au tableau 1, est illustré à la figure 8. Où est -V commutation sur alimentation moins (GND) et + V commutation sur alimentation plus.


    Figure 8. Vue des signaux de commande d'une source CC pour un moteur sans balais. Jaune - phase W, bleu - U, rouge - V.

Cependant, l'image réelle des phases du moteur sera similaire au signal sinusoïdal de la figure 1. Le signal a une forme trapézoïdale, car aux moments où l'enroulement du moteur n'est pas connecté, les aimants permanents du rotor induisent son EMF (figure 9).


                                    Figure 9. Type de signal provenant des enroulements d'un moteur sans balais en mode de fonctionnement.

Sur un oscilloscope, cela ressemble à ceci:


                                 Figure 10. Vue de la fenêtre de l'oscilloscope lors de la mesure d'une phase du moteur.

Caractéristiques de conception
Comme mentionné précédemment, sur 6 enroulements de commutation, une période électrique de 360 ​​degrés électriques est formée.
Il est nécessaire de relier cette période à l'angle de rotation réel du rotor. Les moteurs à une paire de pôles et un stator trident sont très rarement utilisés; les moteurs ont N paires de pôles.
La figure 11 montre des modèles de moteur avec une paire de pôles et avec deux paires de pôles.


                                       a. b.
                                      Figure 11. Modèle de moteur avec une (a) et deux (b) paires de pôles.

Le moteur à deux paires de pôles a 6 enroulements, chacun des enroulements est apparié, chaque groupe de 3 enroulements est décalé de 120 degrés électriques. Figure 12b. une période pour 6 enroulements est retardée. Les enroulements U1-U2, V1-V2, W1-W2 sont interconnectés et représentent dans la conception des fils de sortie triphasés. Pour simplifier l'image, aucune connexion n'est affichée, mais n'oubliez pas que U1-U2, V1-V2, W1-W2 sont une seule et même chose.

La figure 12, basée sur les données du tableau 1, montre les vecteurs pour une et deux paires de pôles.

                                       a. b.
                     Figure 12. Diagramme des vecteurs de champ magnétique pour un moteur avec une (a) et deux (b) paires de pôles.

La figure 13 montre les vecteurs créés par 6 commutations des enroulements du moteur avec une paire de pôles. Le rotor se compose d'aimants permanents, en 6 étapes, le rotor tournera à 360 degrés mécaniques.
La figure montre les positions finales du rotor, dans les intervalles entre deux positions adjacentes, le rotor tourne de l'état commuté précédent au suivant. Lorsque le rotor atteint cette position finale, le prochain interrupteur doit se produire et le rotor tendra vers une nouvelle position prédéfinie de sorte que son vecteur de champ magnétique s'aligne avec le vecteur de champ électromagnétique du stator.


        Figure 13. La position finale du rotor avec une commutation à six vitesses d'un moteur sans balais avec une paire de pôles.

Dans les moteurs à N paires de pôles, il faut passer par N périodes électriques pour une révolution mécanique complète.
Un moteur à deux paires de pôles aura deux aimants avec les pôles S et N et 6 enroulements (figure 14). Chaque groupe de 3 enroulements est décalé l'un de l'autre de 120 degrés électriques.


        Figure 14. Position finale du rotor avec commutation à six vitesses d'un moteur sans balais à deux paires de pôles.

Déterminer la position du rotor d'un moteur sans balais
Comme mentionné précédemment, pour que le moteur fonctionne, il est nécessaire de connecter la tension aux enroulements statoriques nécessaires au bon moment. Il est nécessaire d'appliquer une tension aux enroulements du moteur en fonction de la position du rotor, afin que le champ magnétique du stator soit toujours en avance sur le champ magnétique du rotor. Pour déterminer la position du rotor du moteur et la commutation des enroulements, une unité de commande électronique est utilisée.
Le suivi de la position du rotor est possible de plusieurs manières:
      1. Par capteurs Hall
      2. Par EMF inversé
En règle générale, les fabricants équipent les capteurs à effet Hall du moteur à la sortie, c'est donc la méthode de contrôle la plus courante.
La commutation des enroulements en fonction des signaux de l'EMF arrière vous permet d'abandonner les capteurs intégrés au moteur et d'utiliser comme capteur l'analyse de la phase libre du moteur, qui sera induite par le champ magnétique du contre-EMF.

Gestion d'un moteur brushless avec capteurs à effet Hall
Pour commuter les enroulements au bon moment, il est nécessaire de surveiller la position du rotor en degrés électriques. Pour cela, des capteurs Hall sont utilisés.
Puisqu'il y a 6 états du vecteur de champ magnétique, 3 capteurs Hall sont nécessaires, ce qui représentera un capteur de position absolue avec une sortie à trois bits. Des capteurs à effet Hall sont également installés sous forme d'enroulements décalés de 120 degrés électriques. Cela permet l'utilisation d'aimants de rotor comme élément actif du capteur.


                                Figure 15. Signaux des capteurs à effet Hall pour une révolution électrique du moteur.

Pour faire tourner le moteur, il est nécessaire que le champ magnétique du stator soit en avance sur le champ magnétique du rotor, la position lorsque le vecteur de champ magnétique du rotor est aligné avec le vecteur de champ magnétique du stator est définitive pour cette commutation, c'est à ce moment que le passage à la combinaison suivante doit avoir lieu pour éviter que le rotor ne se bloque dans un arrêt position.
Comparons les signaux des capteurs à effet Hall avec une combinaison de phases qui doivent être commutées (tableau 2)

 Tableau 2. Comparaison des signaux des capteurs à effet Hall avec la commutation des phases du moteur.

Position du moteur	HU (1)	HV (2)	HW (3)	U	V	W
0	0	0	1	0	-	+
	1	0	1	+	-	0
	1	0	0	+	0	-
	1	1	0	0	+	-
	0	1	0	-	+	0
360 / N	0	1	1	-	0	+

Avec une rotation uniforme du moteur, un signal décalé de 1/6 de la période, 60 degrés électriques, est reçu des capteurs (figure 16).


                                                        Figure 16. Vue du signal des capteurs Hall.

Contrôle EMF
Il existe des moteurs sans balais sans capteurs de position. La position du rotor est déterminée en analysant le signal EMF dans la phase libre du moteur. A chaque instant, «+» est connecté à l'une des phases à l'autre «-» de l'alimentation, l'une des phases reste libre. En rotation, le champ magnétique du rotor induit une EMF dans un enroulement libre. En tournant, la tension dans la phase libre change (figure 17).


                                                 Figure 17. Changement de tension à la phase du moteur.

Le signal de l'enroulement du moteur est divisé en 4 points:
   1. L'enroulement est connecté à 0
   2. L'enroulement n'est pas connecté (phase libre)
   3. L'enroulement est connecté à la tension d'alimentation
   4. L'enroulement n'est pas connecté (phase libre)
En comparant le signal des phases avec le signal de commande, nous voyons que le moment de transition vers l'état suivant peut être détecté par l'intersection du point médian (la moitié de la tension d'alimentation) avec la phase qui n'est pas actuellement connectée (figure 18).


                            Figure 18. Comparaison du signal de commande avec le signal sur les phases du moteur.

Après avoir détecté l'intersection, faites une pause et activez l'état suivant. Selon cette figure, un algorithme de commutation de l'état des enroulements est compilé (tableau 3).

 Tableau 3. Algorithme de commutation de l'enroulement du moteur

Statut actuel	U	V	W	État suivant
1	-	En attendant que le point médian passe de + à -	+	2
2	En attendant que le point médian passe de - à +	-	+	3
3	+	-	En attendant que le point médian passe de + à -	4
4	+	En attendant que le point médian passe de - à +	-	5
5	En attendant que le point médian passe de + à -	+	-	6
6	-	+	En attendant que le point médian passe de - à +	1

L'intersection du point médian est plus facile à détecter avec un comparateur, la tension médiane est appliquée à une entrée du comparateur et la tension de phase actuelle est appliquée à la seconde.


                                            Figure 19. Détection de point médian par comparateur.

Le comparateur est déclenché lorsque la tension passe par le point médian et génère un signal pour le microcontrôleur.

Traitement du signal des phases du moteur
Cependant, le signal des phases lors de la régulation de la vitesse PWM diffère en apparence et a une nature pulsée (figure 21), dans un tel signal, il est impossible de détecter l'intersection avec le point médian.


                                        Figure 20. Vue du signal de phase lors du réglage de la vitesse PWM.

Par conséquent, ce signal doit être filtré par un filtre RC pour obtenir une enveloppe, et également divisé en fonction des exigences du comparateur. À mesure que le rapport cyclique augmente, le signal PWM augmente en amplitude (figure 22).


                                                   Figure 21. Schéma d'un diviseur de signal et d'un filtre de la phase moteur.


                                            Figure 22. L'enveloppe du signal lors de la modification du rapport cyclique du PWM.

Schéma de point médian


                                                      Figure 23. Vue du point médian virtuel. La photo a été prise sur avislab.com/

Les signaux sont retirés des phases via des résistances de limitation de courant et combinés, nous obtenons donc l'image suivante:


                                          Figure 24. Vue de la forme d'onde de tension du point médian virtuel.

En raison du PWM, la tension médiane n'est pas constante, le signal doit également être filtré. La tension du point milieu après lissage sera assez importante (au niveau de la tension d'alimentation du moteur), elle doit être divisée par un diviseur de tension à la moitié de la tension d'alimentation.



Après le passage du signal à travers le filtre, les oscillations sont lissées et une tension uniforme est obtenue par rapport à laquelle l'intersection de la FEM arrière peut être détectée.


                                       Figure 26. Tension après diviseur et filtre passe-bas.

Le point médian changera sa valeur en fonction de la tension (rapport cyclique PWM), ainsi que de l'enveloppe du signal.
                               

Les signaux reçus des comparateurs sont envoyés au microcontrôleur, qui les traite selon l'algorithme ci-dessus.
C'est tout pour l'instant.