Actuellement, les moteurs électriques consomment presque la moitié de l'énergie électrique produite dans le monde. Dans l'industrie, cette part est encore plus élevée, atteignant environ 70%. Pendant ce temps, les plus grands fabricants de composants électroniques, tels que Microchip, améliorent constamment les systèmes de contrôle des entraînements électriques.
Les moteurs électriques sont partout – dans la machine à laver, le sèche-linge, le réfrigérateur, la voiture, les ventilateurs, les pompes, le climatiseur, etc. – facilitant notre vie. Il est donc important qu'ils fonctionnent aussi efficacement que possible. La quantité d'énergie consommée par l'entraînement dépend en grande partie du contrôleur qui contrôle le fonctionnement de l'élément d'exécution. Grâce aux composants efficaces de Microchip, il est possible de réaliser un tel système ergonomique. Ci-dessous est présenté comment construire un tel circuit, ainsi que la spécification des éléments de marque utilisés pour sa réalisation.
Moteurs BLDC et leur utilisation
Les moteurs à courant continu sans balais (BLDC, de l'anglais Brushless Direct Current) sont de plus en plus choisis par les concepteurs et ingénieurs pour le rôle d'entraînement. Cela est dû à plusieurs raisons : ils se distinguent par une fiabilité élevée, une efficacité et un rapport puissance/taille avantageux. Comme leur nom l'indique, ils n'utilisent pas de balais – à la place, des aimants permanents sont placés dans le rotor, et les enroulements se trouvent dans le stator. Les courants (à la fréquence souhaitée) excitent un champ électromagnétique et provoquent la répulsion et l'attraction des aimants, mettant l'axe de l'entraînement en mouvement et contrôlant sa vitesse. Une telle commutation nécessite l'utilisation d'un contrôleur approprié, et pour sa construction, une gamme de produits Microchip peut être utilisée, garantissant un fonctionnement durable, précis et efficace de l'ensemble de l'appareil. Enroulements d'un moteur BLDC modéliste.
Microchip a cet avantage qu'il s'occupe de la production d'une large gamme de semi-conducteurs et de circuits analogiques, et donc de son offre, il est possible de compléter tous les éléments les plus importants du contrôleur. Ceux-ci incluent des microcontrôleurs, des circuits analogiques (amplificateurs opérationnels), des circuits FPGA, des composants de puissance (par exemple, des transistors). De l'offre Microchip disponible via TME, il est possible de choisir, par exemple, des microcontrôleurs dsPIC®, PIC® et AVR® possédant une fonctionnalité intégrée de contrôle des moteurs : générateur PWM, convertisseur A/C (ADC) et interfaces de communication populaires (SPI, CAN, UART). Il convient également de souligner que le fabricant met également à disposition des logiciels spécialisés et des outils de développement (MPLAB® X IDE), des kits de développement et une bibliothèque Motor Control Library conçue pour la conception et le test rapides de circuits de commande. Ils incluent des algorithmes avancés prenant en charge des méthodes de contrôle telles que FOC (Field Oriented Control) et des programmes de contrôle utilisant des signaux trapézoïdaux et sinusoïdaux (pour moteurs BLDC, PMSM, ACIM et pas à pas).
Fonctionnement et applications
La principe de fonctionnement des moteurs BLDC a déjà été mentionné (car c'est sur eux que cet article se concentre). La caractéristique la plus importante de ces produits est trois (ou plus) enroulements du stator alimentés par un courant triphasé fourni par un onduleur. Le rotor avec des aimants permanents est tourné par un champ magnétique variable généré par les enroulements du stator – ainsi, en changeant la fréquence des signaux, on contrôle la vitesse du rotor. Mais la fréquence dépendra également de sa position actuelle. Cette dernière est déterminée à l'aide de capteurs Hall intégrés dans le moteur. Alternativement, un algorithme de contrôle (par exemple, FOC) est utilisé, dont la tâche est d'exciter le courant dans les phases à une période optimale (basée sur les données de vitesse de rotation de l'axe). Les contrôleurs de moteurs BLDC sont un élément essentiel, entre autres, des vélos à assistance électrique.
Parce que les moteurs BLDC dépendent moins des éléments mécaniques classiques (balais) – ils présentent un risque de panne plus faible. Leur caractéristique importante est également une perte d'énergie moindre (c'est-à-dire une meilleure efficacité). De plus, ils permettent de contrôler précisément la vitesse, ce qui est une caractéristique importante dans des applications telles que les machines industrielles, les robots, les drones ou les ventilateurs. Un dernier avantage, mais non moins important, est la conception compacte et le poids relativement faible.
En raison de ces caractéristiques avantageuses, en plus des applications mentionnées, les moteurs BLDC sont également utilisés dans les outils électriques (par exemple, les perceuses), l'automobile (systèmes ABS, contrôle de l'accélérateur), les véhicules électriques (tondeuses, trottinettes, vélos, voitures, bateaux), les actionneurs en robotique et en automatisation industrielle.
La popularité croissante des véhicules du secteur de la micromobilité, tels que les trottinettes électriques ou les vélos électriques, a également contribué à élargir l'offre de moteurs BLDC et de contrôleurs efficaces pour eux. Ensemble, ils permettent d'atteindre une efficacité énergétique élevée à une époque de prise de conscience écologique croissante des sociétés. Comme le marché mondial se déplace vers l'électrification des transports, on peut s'attendre à ce que les entreprises produisant des contrôleurs avancés ne constatent pas de baisse de la demande pour leurs solutions.
Construction du module de contrôle BLDC
Ci-dessous est présenté un projet de contrôleur compact pour moteurs BLDC. Il s'agit d'un circuit de référence Microchip qui illustre les solutions de base rencontrées dans les modules de ce type, ainsi que les fonctions que remplissent les composants du fabricant. Le contrôleur est destiné à alimenter et contrôler le fonctionnement des moteurs BLDC/PMSM avec une puissance de crête jusqu'à 3 kW et des courants de phase jusqu'à 300A. La tension d'alimentation peut ici être de 18V à 85V DC, ce qui permet de puiser de l'énergie à partir de différentes sources typiques, y compris un pack de cellules lithium-ion (jusqu'à 20, c'est-à-dire une batterie 20S).
Le schéma bloc du contrôleur se présente comme suit : Schéma bloc d'un contrôleur BLDC construit à l'aide de composants Microchip.
Source : Microchip Technology
Microcontrôleurs dsPIC
Le cœur du système de contrôle numérique présenté (DSC, Digital Signal Controller) est le microcontrôleur dsPIC33CK256MP505 fonctionnant avec une performance de 100MIPS (millions d'instructions par seconde). Ce circuit comprend, entre autres, trois amplificateurs opérationnels internes, qui dans ce cas servent à mesurer le courant (coin inférieur gauche du schéma). De plus, la famille dsPIC prend en charge le transceiver CAN, qui en combinaison avec le circuit ATA6561 (dont il sera question plus tard) assure une communication native avec le bus CAN-Bus.
Les contrôleurs de signal numérique monocœur de la famille dsPIC33CK ont été conçus pour des applications nécessitant un traitement des données en temps réel, et donc principalement dans les circuits de commande et de protection, comme décrit dans la vidéo ci-dessous :
Les circuits haute performance sont équipés de registres étendus, réduisant ainsi le délai d'interruption. De plus, ils possèdent une série de périphériques intégrés, ainsi que de nouvelles instructions permettant de prendre en charge nativement les opérations DSP (Digital Signal Processing). La vitesse d'exécution du code a également été améliorée, permettant au microcontrôleur d'exécuter des boucles de contrôle complexes en temps réel.
Ces circuits sont disponibles uniquement en formats SMD : TQFP48 et UQFN48. À des fins de prototypage, Microchip a préparé le kit de démarrage DM330017-3. Il est important de noter que ces microcontrôleurs se distinguent par une large tolérance thermique (même de -40°C à 145°C), permettant leur utilisation dans des conditions environnementales difficiles, qui se rencontrent souvent dans les systèmes de contrôle des moteurs. Tous ces produits sont disponibles dans le catalogue TME.
Transceiver du bus CAN
L'interface CAN (Controller Area Network) permet aux composants du système de communiquer via un bus à deux fils. Dans le circuit décrit, cette connexion est réalisée à l'aide d'un transceiver rapide sous forme de circuit intégré ATA6561. La carte de développement avec le circuit ATA6561 facilite la construction de prototypes.
Les circuits de la famille ATA6561 sont des transceivers CAN qui assurent la connexion entre le microcontrôleur et le bus physique. Ces éléments sont conçus pour une transmission rapide (jusqu'à 5Mb/s), nécessaire par exemple dans les applications automobiles. Ils offrent la possibilité d'émettre et de recevoir des signaux différentiels depuis/par le microcontrôleur prenant en charge l'interface CAN (connexion directe). Ils se caractérisent par une haute compatibilité électromagnétique (EMC) et une résistance aux décharges électrostatiques (ESD). De plus, ils se comportent passivement en cas de coupure d'alimentation, ne provoquant pas de perturbations sur le bus. En combinaison avec des fonctions de sécurité spécialisées (fail safe), cela fait des circuits ATA6561 un excellent choix pour tous les types de réseaux CAN, en particulier dans les systèmes nécessitant une faible consommation d'énergie et une option de réveil du composant par une instruction externe transmise via l'interface.
Onduleur
Un élément clé dans le contrôle des moteurs BLDC est l'onduleur triphasé, qui fournit de forts courants alimentant l'élément d'exécution conformément aux signaux basse tension reçus du microcontrôleur (partie centrale du schéma bloc). Ici, un tel circuit a été réalisé en utilisant six transistors MOSFET haute performance avec une très faible résistance à l'état passant (max. 1,7 mΩ) (paramètre RDS(ON), c'est-à-dire Drain-Source Resistance when On), ce qui permet de gérer de forts courants de phase sans pertes de conduction excessives (et surchauffe du circuit). Le fonctionnement des transistors est contrôlé par les drivers MIC4104. Typiquement, un moteur BLDC possède 3 fils d'alimentation, un pour chaque phase.
Le MIC4104 est un driver rapide et synchrone pour transistors MOSFET. Il fournit un courant jusqu'à 2A (courant source max. -3A). Il se caractérise également par des temps de mise en marche très courts (24ns) et d'arrêt (6ns), c'est-à-dire la chute du signal de commande. Ces circuits sont réalisés sous forme de demi-pont (appelé pont en H).
Le circuit MIC4104 est réalisé selon les paramètres TTL, c'est-à-dire que les seuils logiques sont <0,8V DC pour un "0" logique, tandis que >2,0V pour un "1". Le circuit de commutation rapide et économe en énergie assure des transitions de signal propres à la sortie. Le MIC4104 est conçu pour ne pas être sensible aux perturbations d'alimentation et aux changements rapides de tension. La protection contre une tension trop basse a été implémentée à la fois du côté bas et haut. Le MIC4104 se distingue également par une large plage de tensions d'alimentation (de 5,5V à 16V DC). Une basse tension permet une durée de fonctionnement plus longue dans les appareils alimentés par batterie. La tension de commande de la grille est réglée par le circuit au niveau de la ligne VDD, minimisant ainsi les pertes de puissance.
Alternativement, un circuit plus récent spécialisé pour les applications avec moteurs BLDC peut être utilisé ici, par exemple de la famille ATA6847 (actuellement, ces produits sont disponibles chez TME sur commande spéciale). Ces circuits se distinguent notamment par une plage de tensions de fonctionnement plus large (3…48V DC).
Transistors
Les transistors utilisés dans l'onduleur sont des composants MOSFET : AOTL66912. Ce sont des éléments en boîtiers SMD. Le circuit de commande de la grille contrôle la vitesse de montée de la tension, assurant un commutateur régulier et sans oscillations sur les lignes d'alimentation (tensions jusqu'à 85V et courants de crête jusqu'à 150A, en crête).
Surveillance de la température
Pour assurer une température optimale des éléments, le circuit de contrôleur présenté nécessite l'utilisation d'un dissipateur thermique évacuant la chaleur des transistors. La température du dissipateur doit être constamment surveillée à l'aide du capteur de température intégré MCP9700A. Le circuit convertit la température en tension analogique (thermistance intégrée). Ce capteur économique et économe en énergie se caractérise par une précision de ±2°C dans la plage de 0°C à +70°C avec une consommation de courant typique de seulement 6µA. Contrairement aux capteurs résistifs, tels que les thermistances classiques, le circuit linéaire MCP9700A ne nécessite pas de composants supplémentaires, ce qui simplifie la conception et réduit les coûts.
Le fonctionnement du capteur MCP9700A dans un circuit dont la tâche est de surveiller en continu la température est présenté dans la vidéo suivante :
La broche de sortie du capteur (VOUT) peut être directement connectée à l'entrée du convertisseur analogique-numérique (ADC) du microcontrôleur. Le coefficient de température du MCP9700A est calibré de manière à assurer une résolution de 1°C/bit avec un convertisseur A/C 8 bits et une tension de référence de 2,5V ou 5V. Pour un convertisseur 12 bits avec une tension de référence de 4,096V, on obtient une résolution de 0,1°C/bit. Le circuit constitue une solution économique pour les applications nécessitant une mesure du changement relatif de température.
Il convient de mentionner ici que le MCP9700A est un circuit compact, disponible à la fois dans un boîtier classique TO92 et dans des versions SMD : SC70 et SOT23. La plage complète des températures mesurées par le capteur s'étend de -40°C à 125°C.
Circuit d'alimentation
Il convient de noter que dans le circuit présenté, les composants fonctionnent avec trois tensions d'alimentation différentes. Pour les drivers de grille, c'est 12V DC, pour le microcontrôleur (contrôleur DSC) 3,3V DC, tandis que le capteur Hall installé dans le moteur d'exemple nécessite 5V DC. De plus, pour élargir la gamme d'applications du module et l'adapter aux méthodes d'alimentation typiques rencontrées dans divers appareils électriques, il a été décidé que la plage de tensions d'entrée admissibles serait ici de 12V à 28V. Pour réaliser un tel circuit d'alimentation, deux types de régulateurs de tension ont été utilisés : MCP16331 and MCP1754.
Convertertisseur MCP16331 (ligne 12V DC)
Le MCP16331 est un convertisseur DC/DC intégré de type step-down avec une haute efficacité (jusqu'à 96%). Microchip le produit dans des boîtiers populaires à 6 broches (SOT23) et à 8 broches (2x3mm, TDFN). Il peut fonctionner avec des tensions d'entrée jusqu'à 50V et fonctionne à une fréquence fixe. Le circuit est équipé de plusieurs fonctionnalités importantes : commutateur côté haut (high-side switch), contrôle du courant de crête (peak current mode), compensation interne, limiteur de courant, protection thermique. Pour ce régulateur intégré, il suffit de connecter quelques composants externes, par exemple un diviseur de résistance, qui sert à établir la valeur de la tension de sortie. Le MCP16331 peut fournir jusqu'à 500mA, régulant la tension de sortie dans la plage de 2V à 24V DC.
L'efficacité impressionnante du convertisseur résulte de l'utilisation d'un transistor MOSFET de type N à commutation rapide et à faible résistance, limité en courant. La haute fréquence de commutation permet l'utilisation de petits éléments de filtrage, ce qui se traduit par des dimensions compactes pour l'ensemble du circuit. L'architecture intégrée Peak Current Mode assure une régulation précise de la tension de sortie, même lors de changements soudains sur la ligne d'entrée ou du côté de la charge.
L'entrée EN (enable) sert à allumer et éteindre le circuit. En état d'arrêt, il ne consomme que quelques microampères de courant, ce qui est avantageux dans les applications nécessitant une gestion de l'énergie, une répartition des charges, et surtout – des appareils alimentés par batterie. La broche EN est connectée en interne à la ligne d'alimentation, donc l'utilisation de cette broche n'est pas nécessaire (elle sera dans un état défini, activant le convertisseur).
Régulateur MCP1754 (lignes 3,3V et 5V DC)
Le MCP1754/MCP1754S est une famille de régulateurs de tension à faible chute de type LDO (Low Dropout) fabriqués en technologie CMOS. Ces circuits peuvent fournir un courant jusqu'à 150mA, consommant seulement 56μA de courant de repos (typiquement). Ils sont donc particulièrement utiles dans les applications portables, où les faibles pertes de puissance sont importantes. La plage de tension d'entrée se situe entre 3,6V et 16V DC, ce qui rend ces composants idéaux pour : les appareils alimentés par 4 à 6 cellules de batterie (par exemple, de type AA, AAA, etc.); les applications mobiles avec une alimentation d'environ 12V DC, les appareils alimentés par une à trois cellules Li-Ion.
Conclusion
Grâce à leurs petites dimensions, leur faible coût et leur haute efficacité, le projet de contrôleur compact pour moteurs BLDC présenté peut devenir la base de nombreuses solutions. Et bien que le circuit puisse être modifié à de nombreux endroits, même sous cette forme, il conviendra parfaitement aux applications modernes dans le domaine de la e-mobilité, c'est-à-dire les trottinettes électriques ou les vélos. De plus, il peut également être utilisé pour alimenter des moteurs BLDC dans des drones de grande puissance et des véhicules aériens sans pilote (UAV).
Pour conclure, soulignons à nouveau que tous les éléments Microchip nécessaires à la réalisation du circuit sont disponibles dans le catalogue TME et livrés directement depuis nos entrepôts.
