Le besoin d'un contrôle de mouvement précis augmente dans des applications telles que la robotique, les drones, les dispositifs médicaux et les systèmes industriels. Sans balais Moteurs à courant continu (BLDC) et les moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM) à courant alternatif peuvent fournir la précision requise, tout en répondant également au besoin de rendement élevé dans un format compact. Cependant, contrairement aux moteurs à courant continu à balais et aux moteurs à induction à courant alternatif, qui sont faciles à connecter et à faire fonctionner, les BLDC et les PMSM sont beaucoup plus complexes.
Par exemple, des techniques telles que le contrôle vectoriel sans capteur (également appelé contrôle orienté champ, ou FOC), en particulier, offrent une excellente efficacité ainsi que l'avantage d'éliminer les capteur matériel, réduisant ainsi les coûts et améliorant la fiabilité. Le problème pour les concepteurs est que le contrôle vectoriel sans capteur est compliqué à mettre en œuvre, de sorte que son utilisation peut prolonger les temps de développement, ajouter des coûts et peut-être manquer des délais de mise sur le marché.
Pour résoudre ce dilemme, les concepteurs peuvent se tourner vers des plates-formes de développement et des cartes d'évaluation qui intègrent déjà le logiciel de contrôle vectoriel sans capteur, ce qui leur permet de se concentrer sur les problèmes de conception du système et de ne pas s'enliser dans les nuances de codage du logiciel de contrôle. De plus, ces environnements de développement incluent tout le contrôleur de moteur et le matériel de gestion de l'alimentation intégrés dans un système complet, ce qui accélère la mise sur le marché.
Cet article décrit brièvement certains des besoins en matière de contrôle de mouvement de précision et passe en revue les différences entre les balais CC, à induction CA, BLDC et PMSM. Il résume ensuite les bases du contrôle vectoriel avant de présenter plusieurs plates-formes et cartes d'évaluation de Texas Instruments, Infineon Technologies et Renesas Electronics, ainsi que des conseils de conception qui facilitent le développement de systèmes de contrôle de mouvement de précision.
Exemples d'applications de contrôle de mouvement de précision
Les drones sont des systèmes de contrôle de mouvement complexes et utilisent généralement quatre moteurs ou plus. Un contrôle de mouvement précis et coordonné est nécessaire pour permettre à un drone de planer, de monter ou de descendre.
Figure 1 : Les drones utilisent généralement quatre moteurs ou plus, généralement des BLDC ou des PMSM, tournant à 12,000 XNUMX tours par minute (RPM) ou plus, et sont entraînés par un contrôleur de vitesse électronique (ESC). Cet exemple montre un ESC module dans un drone utilisant un moteur sans balais avec contrôle sans capteur. (Source de l'image : Texas Instruments)
Pour planer, la poussée nette des rotors poussant le drone vers le haut doit être équilibrée et exactement égale à la force gravitationnelle qui le tire vers le bas. En augmentant également la poussée (vitesse) des rotors, le drone peut monter tout droit. Inversement, la diminution de la poussée du rotor fait descendre le drone. De plus, il y a le lacet (faire tourner le drone), le tangage (faire voler le drone vers l'avant ou l'arrière) et le rouler (faire voler le drone vers la gauche ou la droite).
Le mouvement précis et répétitif est l'une des caractéristiques de nombreuses applications robotiques. Un robot industriel multi-axes stationnaire doit fournir différentes quantités de force en trois dimensions afin de déplacer des objets de poids variables (Figure 2). Les moteurs à l'intérieur du robot fournissent une vitesse et un couple variables (force de rotation) à des points précis, que le contrôleur du robot utilise pour coordonner le mouvement le long de différents axes pour une vitesse et un positionnement exacts.
Dans le cas des robots mobiles à roues, un système d'entraînement différentiel précis peut être utilisé pour contrôler à la fois la vitesse et la direction du mouvement. Deux moteurs sont utilisés pour fournir un mouvement avec une ou deux roulettes pour équilibrer la charge. Les deux moteurs sont entraînés à des vitesses différentes pour réaliser une rotation et des changements de direction, tandis que la même vitesse pour les deux moteurs entraîne un mouvement en ligne droite, soit vers l'avant, soit vers l'arrière. Si les contrôleurs de moteur sont plus complexes par rapport à un système de direction conventionnel, cette approche est plus précise, mécaniquement plus simple et donc plus fiable.
Choix de moteurs
Les moteurs à courant continu et les moteurs à induction à courant alternatif de base sont relativement peu coûteux et simples à piloter. Ils sont largement utilisés dans un large éventail d'applications, des aspirateurs aux machines industrielles, grues et ascenseurs. Cependant, bien qu'ils soient peu coûteux et faciles à conduire, ils ne peuvent pas fournir l'opération de précision requise par des applications telles que la robotique, les drones, les dispositifs médicaux et les équipements industriels de précision.
Un simple moteur CC à balais génère un couple en commutant mécaniquement le sens du courant en coordination avec la rotation à l'aide d'un commutateur et de balais. Les inconvénients des moteurs à courant continu à balais comprennent la nécessité d'un entretien dû à l'usure des balais et à la génération de bruit électrique et mécanique. Un entraînement à modulation de largeur d'impulsion (PWM) peut être utilisé pour contrôler la vitesse de rotation, mais un contrôle de précision et un rendement élevé sont difficiles en raison de la nature intrinsèquement mécanique des moteurs à courant continu à balais.
Un BLDC élimine le collecteur et les balais des moteurs à courant continu à balais et, selon la façon dont les stators sont enroulés, il peut également s'agir d'un PMSM. Les bobines du stator sont enroulées de manière trapézoïdale dans un moteur BLDC et la force contre-électromotrice (FEM) produite a une forme d'onde trapézoïdale, tandis que les stators PMSM sont enroulés de manière sinusoïdale et produisent une FEM contre-électromotrice sinusoïdale (Ebemf).
Le couple des moteurs BLDC et PMSM est fonction du courant et de la force contre-électromotrice. Les moteurs BLDC sont entraînés avec un courant d'onde carrée tandis que les moteurs PMSM sont entraînés avec un courant sinusoïdal.
Caractéristiques du moteur BLDC:
- Plus facile à contrôler avec des courants CC à onde carrée en six étapes
- Produit une ondulation de couple significative
- Sont moins coûteux et plus performants que les PMSM
- Peut être mis en œuvre avec des capteurs à effet Hall ou avec une commande sans capteur
Fonctionnalités PMSM:
- Contrôle plus complexe en utilisant Trois phases PWM sinusoïdal
- Aucune ondulation de couple
- Rendement, couple et coût plus élevés que BLDC
- Peut être implémenté avec un encodeur d'arbre ou avec une commande sans capteur
Qu'est-ce que la lutte antivectorielle?
La commande vectorielle est une méthode de commande d'entraînement de moteur à fréquence variable dans laquelle les courants de stator d'un moteur électrique triphasé sont identifiés comme deux composants orthogonaux qui peuvent être visualisés avec un vecteur. Un composant définit le flux magnétique du moteur, l'autre le couple. Au cœur de l'algorithme de contrôle vectoriel se trouvent deux transformées mathématiques: la transformée de Clarke modifie un système triphasé en un système à deux coordonnées, tandis que la transformée de Park convertit les vecteurs système stationnaires biphasés en vecteurs système rotatifs et leur inverse.
L'utilisation des transformées Clarke et Park amène les courants statoriques qui peuvent être contrôlés dans le domaine du rotor. Cela permet à un système de commande de moteur de déterminer les tensions qui doivent être fournies au stator pour maximiser le couple sous des charges à variation dynamique.
Le contrôle de vitesse et / ou de position haute performance nécessite une connaissance précise et en temps réel de la position et de la vitesse de l'arbre du rotor afin de synchroniser les impulsions d'excitation de phase avec la position du rotor. Ces informations ont généralement été fournies par des capteurs tels que des codeurs absolus et des résolveurs magnétiques fixés à l'arbre du moteur. Ces capteurs présentent plusieurs inconvénients du système: une fiabilité moindre, une sensibilité au bruit, un coût et un poids plus élevés et une complexité plus élevée. Le contrôle vectoriel sans capteur élimine le besoin de capteurs de vitesse / position.
Les microprocesseurs haute performance et les processeurs de signaux numériques (DSP) permettent d'intégrer une théorie de contrôle moderne et efficace dans la modélisation avancée du système, garantissant une puissance et une efficacité de contrôle optimales pour tout système moteur en temps réel. On s'attend à ce qu'en raison de l'augmentation de la puissance de calcul et de la baisse des coûts des microprocesseurs et des DSP, le contrôle sans capteur déplacera presque universellement le contrôle vectoriel détecté, ainsi que des volts par hertz scalaires à variable unique simples mais moins performants (V / f ) contrôler.
Pilotage de moteurs triphasés PMSM et BLDC pour la robotique industrielle et grand public
Pour contourner la complexité du contrôle vectoriel, les concepteurs peuvent utiliser des cartes d'évaluation prêtes à l'emploi. Par exemple, le DRV8301-69M-KIT de Texas Instruments est un module d'évaluation de carte mère basé sur controlCARD DIMM100 que les concepteurs peuvent utiliser pour développer des solutions de commande de moteur triphasé PMSM/BLDC (Figure 4). Il comprend le pilote de grille triphasé DRV8301 avec des amplificateurs shunt de courant double et un abaisseur. régulateuret une carte de microcontrôleur (MCU) Piccolo TMS320F28069M compatible InstaSPIN.
Le DRV8301-69M-KIT est un InstaSPIN-FOC et InstaSPIN-MOTION Texas Instruments sans souciKit d'évaluation de commande de moteur basé sur un moteur pour moteurs PMSM et BLDC triphasés. Avec InstaSPIN, le DRV8301-69M-KIT permet aux développeurs d'identifier, de régler et de contrôler automatiquement un moteur triphasé, fournissant ainsi un système de contrôle de moteur « instantanément » stable et fonctionnel.
Associé à la technologie InstaSPIN, le DRV8301-69M-KIT fournit une plate-forme FOC haute performance, économe en énergie et rentable sans capteur ou activée par capteur d'encodeur qui accélère le développement pour une mise sur le marché plus rapide. Les applications incluent les moteurs synchrones sous 60 volts et 40 ampères (A) pour entraîner des pompes, des portails, des ascenseurs et des ventilateurs, ainsi que pour la robotique et l'automatisation industrielles et grand public.
Les caractéristiques matérielles du DRV8301-69M-KIT:
- Une carte de base onduleur triphasée avec interface pour accepter les cartes de contrôle DIMM100
- Une carte de base du module d'alimentation intégré de l'onduleur triphasé DRV8301 (avec convertisseur abaisseur de 1.5 A intégré) prenant en charge jusqu'à 60 volts et 40 A en continu
- Les cartes TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC et InstaSPIN-MOTION
- La possibilité de travailler avec l'émulateur externe TMDXCNCD28054MISO (vendu séparément) et l'émulateur externe TMDSCNCD28027F + (vendu séparément) pris en charge par MotorWare
Entraînements moteurs PMSM et BLDC haute performance et haute efficacité
L'EVAL-IMM101T d'Infineon Technologies est un kit de démarrage complet qui comprend un IMM101T Smart IPM (module d'alimentation intégré) qui fournit unTension solution d'entraînement de moteur que les concepteurs peuvent utiliser avec des moteurs PMSM / BLDC hautes performances et à haut rendement (Figure 5). L'EVAL-IMM101T comprend également d'autres circuits nécessaires requis pour l'évaluation «prête à l'emploi» des Smart IPM IMM101T, tels qu'un redresseur et un étage de filtre EMI, ainsi qu'une section de débogage isolée avec connexion USB à un PC.
L'EVAL-IMM101T a été développé pour aider les concepteurs lors de leurs premières étapes de développement d'applications avec un IMM101T Smart IPM. La carte eval est équipée de tous les groupes d'assemblage pour FOC sans capteur. Il contient un connecteur CA monophasé, un filtre EMI, un redresseur et une sortie triphasée pour connecter le moteur. L'étage de puissance contient également un shunt de source pour la détection de courant et un diviseur de tension pour la mesure de la tension du circuit intermédiaire.
L'IMM101T d'Infineon offre différentes options de configuration de contrôle pour les systèmes d'entraînement PMSM / BLDC dans un boîtier compact à montage en surface de 12 x 12 millimètres (mm), minimisant le nombre de composants externes et la surface de la carte de circuit imprimé (carte de circuit imprimé). L'emballage est thermiquement amélioré de sorte qu'il peut bien fonctionner avec ou sans dissipateur thermique. Le boîtier comporte une ligne de fuite de 1.3 mm entre les plots haute tension sous le boîtier pour faciliter le montage en surface et augmenter la robustesse du système.
La série IMM100 intègre soit un FredFET 500 volts soit un CoolMOS 650 volts mosfet. En fonction de la puissance mosfet utilisée dans le boîtier, la série IMM100 couvre les applications avec une puissance de sortie nominale de 25 watts (W) à 80 W avec une tension continue maximale de 500 volts / 600 volts. Dans les versions 600 volts, la technologie Power MOS est évaluée à 650 volts, tandis que le pilote de grille est évalué à 600 volts, ce qui détermine la tension continue maximale admissible du système.
Système d'évaluation de contrôle de moteur 24 volts
Les concepteurs de variateurs de vitesse PMSM / BLDC 24 volts peuvent se tourner vers le système d'évaluation de commande de moteur RTK0EM0006S01212BJ de Renesas pour les microcontrôleurs RX23T (Figure 6). Les dispositifs RX23T sont des microcontrôleurs 32 bits adaptés à la commande d'onduleur unique avec une unité à virgule flottante (FPU) intégrée qui leur permet d'être utilisés pour traiter des algorithmes de commande d'onduleurs complexes. Cela permet de réduire considérablement les heures de travail requises pour le développement et la maintenance des logiciels.
De plus, grâce au cœur, le courant consommé en mode veille logiciel (avec rétention de RAM) n'est que de 0.45 microampères (μA). Les microcontrôleurs RX23T fonctionnent sur une plage de 2.7 à 5.5 volts et sont hautement compatibles avec la gamme RX62T au niveau de la disposition des broches et du logiciel. Le kit comprend :
- Carte onduleur 24 volts
- Fonction de contrôle PMSM
- Fonction de détection de courant à trois shunt
- Fonction de protection contre les surintensités
- Carte CPU pour microcontrôleur RX23T
- Câble USB mini B
- PMSM
Conclusion
Les BLDC et les PMSM peuvent être utilisés pour fournir des solutions de contrôle de mouvement de précision compactes et très efficaces. L'utilisation du contrôle vectoriel sans capteur avec les moteurs BLDC et PMS ajoute l'avantage d'éliminer le matériel du capteur, réduisant ainsi les coûts et améliorant la fiabilité. Cependant, le contrôle vectoriel sans capteur dans ces applications peut être un processus complexe et long.
Comme indiqué, les concepteurs peuvent se tourner vers des plates-formes de développement et des cartes d'évaluation fournies avec un logiciel de contrôle vectoriel sans capteur. De plus, ces environnements de développement incluent tout le contrôleur de moteur et le matériel de gestion de l'alimentation intégrés dans un système complet, ce qui accélère la mise sur le marché.