Commande sans capteur des moteurs sans balais

Nombre d'applications profiteraient d'un moteur sans balais et sans capteur. Différentes méthodes permettent d'obtenir ce résultat. maxon a élaboré une méthode désormais considérée comme garante de précision et de fiabilité.

La commande d'un moteur sans balais exige un dispositif électronique de commande qui assure une commutation précise. Mais cela est possible uniquement si l'électronique de commande «connaît» à tout moment la position exacte du rotor. Cette information est normalement fournie par des capteurs, des capteurs à effet Hall par exemple, installés à l'intérieur du moteur. Mais nous pouvons procéder différemment. Les méthodes de commande sans capteur utilisent les informations concernant le courant et la tension du moteur pour déterminer la position du rotor. Il est possible de dériver la vitesse moteur à partir des changements de position du rotor, cette information pouvant servir pour contrôler la vitesse. Des méthodes plus sophistiquées de commande sans capteur permettent de contrôler aussi le courant (couple) et la position. Ne pas utiliser de capteur présente de nombreux avantages, notamment pécuniaires et en termes d'encombrement, car les câbles, les connecteurs et les circuits électroniques sensibles sont superflus.

Les commandes sans capteur maxon reposent sur trois grands principes spécialement adaptés aux moteurs maxon BDLC.

Principe 1: Méthode FEM sans passage par zéro

La méthode FEM avec détermination du passage par zéro fait appel à la tension induite (ou FEM) pour la phase non motorisée lors de la commutation par bloc. Le passage par zéro a lieu au milieu de l'intervalle de commutation (fig. 1). Le délai dans le temps jusqu'au point de commutation suivant peut être évalué à partir des opérations de commutation précédentes.

La méthode FEM à passage par zéro fonctionne uniquement avec une vitesse suffisamment élevée, la FEM devient nulle en cas d'immobilisation. Une opération spéciale est nécessaire pour démarrer le moteur, similaire à la commande d'un moteur pas à pas, et elle doit être configurée séparément. La commutation véritable sans capteur est possible uniquement à des vitesses de moteur de 500 - 1000 tr/min et plus. La fréquence de commutation sert à contrôler la vitesse. Les informations en retour limitées appliquent certaines restrictions à la dynamique du moteur, même si elle peut être améliorée en intégrant des méthodes d'évaluation dans l'algorithme de contrôle (observateur, filtre Kalman, etc.). La méthode FEM à passage par zéro présente de nombreux avantages: Compatible avec tous les modèles de moteurs sans balais, elle est robuste et économique. Cette approche est utilisée dans de nombreux produits standard comme le module ESCON 50/4 EC-S.

Figure 1: Illustration schématique de commutation sans capteur de la méthode FEM avec passage par zéro, représentée ici via un exemple utilisant la phase 3.

Principe 2: Méthode FEM reposant sur l'observateur

Les méthodes FEM reposant sur l'observateur ou le modèle utilisent des informations relatives au courant du moteur pour déterminer la position et la vitesse du rotor. L'approche basée sur le modèle donne une résolution bien supérieure de la position du rotor. Ainsi, cela permet une commutation sinusoïdale (ou contrôle à orientation de champ, FOC) avec tous ses avantages: Efficacité supérieure, production de chaleur réduite, vibrations et bruits inférieurs. Mais la méthode FEM exige aussi une vitesse minimum de plusieurs centaines de tr/min pour fonctionner correctement.

Principe 3: Méthodes à anisotropie magnétique

Les méthodes utilisant l'anisotropie magnétique déduisent la position du rotor de l'inductance du moteur, qui est minime lorsque les flux magnétiques du rotor et du stator sont parallèles dans le retour de flux (fig. 2). La mesure est réalisée au moyen de brèves impulsions de courant qui ne provoquent aucun mouvement du moteur. Contrairement aux méthodes basées sur FEM, celle-ci fonctionne aussi en cas d'immobilisation ou de vitesse très faible et elle permet de réaliser des commutations sinusoïdales. Les signaux mesurés dépendent considérablement du type de moteur utilisé. La position du rotor est déterminée dans un modèle du moteur, elle doit être paramétrée et adaptée à chaque moteur. Les contrôleurs utilisant l'anisotropie magnétique sont donc des produits très spécifiques pour lesquels l'option «prêt à l'emploi» n'a aucun sens. L'importance des calculs nécessaires pour évaluer la position du rotor limite aussi la vitesse maximale possible.

Figure 2: Diagramme schématique de l'anisotropie de l'inductance. Il représente deux minimum quasiment identiques à une distance de 180 degrés électriques.

Pourquoi la commande sans capteur?

L'utilisation de moteurs sans capteur peut réduire les coûts, ce qui peut être décisif lorsque le prix de l'application est un facteur important. Les capteurs à effet Hall, les codeurs, les câbles et connecteurs sont alors superflus. Des applications typiques de terrain sont les ventilateurs, les pompes, les scanners, les fraises et les forets, et toutes les applications à rotation rapide à performance de commande relativement modeste dont le démarrage ne doit pas être contrôlé étroitement. Une version personnalisée du contrôleur basé sur FEM est nécessaire lorsque de grandes quantités sont concernées.

Optimisation des coûts pour un contrôle hautes performances

Les économies de coûts ne sont pas la seule raison de choisir une commande sans capteur. De hautes performances de la commande sont indispensables aux applications de type entraînement de porte ou entraînement de vélo. Une commande moteur sans à-coup dès zéro tr/min est importante car la réduction du bruit exige une forte dynamique et une commutation sinusoïdale. Et ceci doit être réalisé sans utiliser de codeur coûteux. Ces dernières années, des commandes sans capteur haut de gamme basées sur le méthode d'anisotropie se sont établies, comme la commande HPSC (High Performance Sensorless Control) de maxon. Pourtant, les efforts nécessaires pour adapter les paramètres du modèle ne peuvent être justifiés que pour des quantités dépassant quelques centaines.

Conditions ambiantes rudes

Une commande sans capteur peut être requise lorsqu'il s'agit d'éviter toute électronique sensible dans un moteur. Les exemples incluent des applications fonctionnant à température ambiante très élevée ou très faible, le nettoyage et la stérilisation en génie médical ou les rayonnement ionisants dans l'espace, les installations nucléaires ou les milieux médicaux. Le nombre réduit des connecteurs moteur facilite aussi l'intégration dans les espaces réduits.

La qualité requise de la commande dépend de l'application concernée. Il est nécessaire de décider au cas par cas quelle méthode sans capteur est la mieux adaptée. Les instruments dentaires portables, par exemple de meulage ou de fraisage, requièrent une vitesse élevée, alors que des vitesses inférieures et un couple contrôlé sont nécessaires pour fixer des vis chirurgicales.

Conclusion

Il existe trois raisons principales de choisir une commande sans capteur: Les économies de coûts, d'espace et le fonctionnement dans des environnements difficiles pour les capteurs. La méthode FEM à détermination du passage par zéro est très répandue dans les applications à grande vitesse dans lesquelles les coûts sont un facteur important. La commande sans capteur à partir de l'immobilisation et à vitesse réduite exige d'utiliser des méthodes plus sophistiquées. L'effort de mise en œuvre est plus important et comprend la modélisation et le paramétrage. Les économies de coûts passent au second plan. Une commande adaptée au terrain procure une efficacité supérieure, produit moins de chaleur et génère moins de vibrations et de bruit. Tous ces avantages sont utiles en particulier dans les instruments médicaux portables.

Commandes maxon sans capteur

__La HPSC Module 24/5 (High Performance Sensorless Control) est une nouvelle commande développée par maxon, il s'agit d'une plateforme de matériel et de software personnalisé. HPSC est toujours une solution personnalisée et ne se trouve donc pas dans le catalogue. Les particularités de ce produit: La technologie de commande basée sur l'anisotropie magnétique est la technique de prédilection pour les immobilisations et les vitesses réduites (principe 3). Ensuite, lorsque la vitesse est supérieure, il s'ensuit une transition progressive vers une méthode FEM basée sur un observateur (principe 2). Le firmware du module est adapté à tout système d'entraînement. Lors d'une opération spéciale de réglage, plus de 120 paramètres sont automatiquement ajustés à la caractéristique de chacun des moteurs. La HPSC est utilisée notamment dans les instruments médicaux portables que maxon a développés récemment.

La ESCON Module 50/4 EC-S est la seule commande sans capteur de maxon qui se trouve dans le catalogue produits (commutation par bloc avec la méthode FEM et détermination du passage par zéro). La commande sans capteur 24/1 représente une alternative aux moteurs EC les plus petits (diamètre maximum d'environ 10 mm). Mais elle ne se trouve ni dans le catalogue ni dans la boutique en ligne.

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