L'efficacité énergétique et la durabilité environnementale grâce à un contrôle intelligent du moteur

Un contrôle moteur intelligent

De nouvelles techniques pour un contrôle de vitesse variable construits pour des moteurs synchrones à aimant permanent et des moteurs DC sans balais affichant des coûts de moins en moins élevés améliorent heureusement l'efficacité système par rapport aux schémas « on/off » peu sophistiqués des moteurs conventionnels à induction. Ces conceptions de contrôle intelligent optimisent la vitesse, la direction, le couple et l'accélération du moteur en fonction des conditions de charge, en minimisant la consommation et en créant des opportunités pour le déploiement de moteurs « écologiques », plus petits. Pour l'ingénieur, les points clés résident dans le choix de la méthodologie de contrôle du moteur afin d'obtenir le meilleur rendement et de sélectionner les technologies pour simplifier la réalisation de l'électronique complexe de commande.


Figure 1 : Schéma d'un système de contrôle moteur intelligent typique
Les blocs fonctionnels d'un système de contrôle moteur intelligent sont:

•la logique et le logiciel pour des signaux de commande et un contrôle de haut niveau (séquencement de démarrage ou traitement de pannes par exemple)
•les blocs de puissance composés d'étages d'onduleurs à base de redresseurs, de MOSFET ou d'IGBT
•le circuit de commande de grille
•la boucle de retour, à capteur ou non, pour s'assurer de la position du rotor
•Le circuit de protection et l'isolation

Les dispositifs de puissance intelligents (IPDs), les MOSFET et les IGBT avec de trèsb faibles résistances en série (RDS(ON)) contribuent à réduire la consommation dans ce type d'applications, mais c'est la commande du moteur qui offre le plus de sources potentielles de rendement et de durabilité.

L'efficacité des moteurs BLDC est étroitement liée à la méthode de commutation employée. N'importe quel composant du champ du stator actionné parallèlement au champ du rotor produit une force sans effet sur le mouvement du moteur et réduit l'efficacité. L'objectif consiste à ajuster le courant dans les bobinages du stator afin de produire un champ magnétique qui est orthogonal (en quadrature) au champ du rotor. Ceci nécessite de détecter le courant du moteur et de le comparer au couple désiré, et une fonction PI (proportionnelle intégrale) pour générer une correction basée sur le signal d'erreur résultant. Le signal de correction est modulé par largeur d'impulsion afin de contrôler le pont de sortie de la commande moteur.

Les techniques les plus courantes sont le contrôle trapézoïdal et le contrôle sinusoïdal. La première produit des courants de stator avec une magnitude égale aux deux phases de chaque côté du rotor, alors que le troisième stator est déconnecté de l'alimentation. Lorsque le rotor est alimenté en courant, chaque phase commute entre la valeur positive maximum, zéro et la valeur négative maximum. Le courant trapézoïdal résultant se présente à peu de choses près comme une forme d'onde sinusoïdale. Bien que le champ moyen du stator est, dans n'importe quelle phase, en quadrature avec le champ du rotor, les champs instantanés du stator peuvent être jusqu'à 30° en avance ou en retard de phase, ce qui aboutit à un contrôle imprécis à basse vitesse et à un bruit excessivement audible.

Un contrôle sinusoïdal produit un couple plus lissé par l'application des formes d'ondes de courant sinusoïdales aux bobinages du stator. Les courants sont en décalage de phase de 120°, la somme vectorielle des champs magnétiques du stator est donc orthogonale au champ du rotor. Une information plus précise sur la position du rotor est nécessaire pour générer des formes d'ondes de courant sinusoïdales et le contrôle précis du couple dépend d'un calcul rapide du courant requis immédiatement après la détection de la position du rotor. Des vitesses élevées du rotor peuvent être responsables d'un fonctionnement inefficace car la bande passante limitée de la fonction PI entraîne un délai plus long entre la détermination du courant de stator et la position du rotor.

Le contrôle vectoriel aussi appelé contrôle d'orientation du champ (Field Oriented Control, ou FOC) évite le peu de précision à faible vitesse du contrôle trapézoïdal ainsi que l'inefficacité à haute vitesse du contrôle sinusoïdal. En manipulant les tensions et les courants du moteuren référence avec les axes directs et les axes en quadrature du rotor, le FOC maintient un champ de stator constant en quadrature avec le champ du rotor. Les courants de stator détectés sont traduits en des composantes D (directe) et Q (quadrature) grâce à une fonction appropriée puis comparés respectivement au zéro et au couple souhaité. Les signaux d'erreur résultants sont intégrés en proportion et génèrent, dans le plan de référence D-Q, des signaux qui sont ensuite transformés dans le domaine du stator afin de créer les signaux PWM pour chaque phase du stator. Comme les entrées PI sont constantes, le FOC maintient le rendement élevé à toutes les vitesses du rotor, indépendamment des limitations de la bande passante de la fonction PI. Le contrôle FOC impose aussi moins de contraintes au moteur, améliorant ainsi la fiabilité et la durabilité environnementale en augmentant les délais entre le remplacement éventuel des moteurs.

Logiciel, matériel, ou les deux?

Pour un rendement maximum et une performance optimale, les scénarios de commutation exigent une exécution rapide des fonctions clés de détection, de conversion, de comparaison, d'intégration, de transformation et de génération des formes d'ondes. Les implantations logicielles traditionnelles représentent des tâches significatives pour l'unité centrale, en plus de la consommation des ressources durant le développement du code. Il y a donc des arguments solides en faveur d'une implantation matérielle des fonctions clés. Toutefois, même si un matériel dédié libère le processeur, une telle approche peut laisser peu de souplesse au design et limiter la ré-utilisation efficace de blocs d'IP (propriété intellectuelle) propriétaires. Une nouvelle vague de microcontrôleurs équipés de fonctions de contrôle moteur offre néanmoins, aujourd'hui, une « troisième voie » au travers d'une approche se basant sur un intergiciel qui permet aux concepteurs de choisir le pourcentage de contrôle à gérer respectivement par le matériel et par le logiciel.

La question réside donc, non plus dans le choix d'une approche plus logicielle que matérielle, mais plutôt dans la sélection du microcontrôleur le mieux à même de répondre aux besoins. Parmi les principaux critères de choix figurent donc la performance, l'efficacité du code et la capacité à traiter des fonctions allant au-delà du seul contrôle moteur, des périphériques et des fonctions intégrés ainsi que de la compatibilité avec des des blocs d'IP existants.

A noter que, pour les microcontrôleurs dédiés au contrôle moteur actuels, la vitesse d'horloge et/ou les valeurs de performance en MIPS ne sont pas une indication de la performance optimale du contrôle moteur. Dans les approches à contrôle FOC, par exemple, les ingénieurs doivent comprendre ce que représente la durée d'exécution totale pour la boucle de contrôle moteur, incluant le temps d'exécution du contrôle PI, des transformations de Clarke (modélisation d'un système triphasé grâce à un modéle diphasé) et de Park (passage d'un repère fixe lié au stator à un repère tournant lié au rotor ou au champ magnétique), des estimations de position et, éventuellement, de la mesure du capteur.


Figure 2 : Un microcontrôleur de contrôle moteur
Regardons les microcontrôleurs TMPM37x de Toshiba (Figure 2) pour des moteurs BLDC triphasés construits autour d'un cœur ARM Cortex-M3 80MHz/100MIPS et des fonctions FOC dédiées avec, notamment, un bloc PMD (Programmable Motor Drive) et un moteur vectoriel (VE pour Vector Engine).

Le bloc PMD comprend un générateur PWM triphasé, un contrôleur de temps mort, un circuit de protection et un réseau de timing CAN. Les développeurs peuvent combiner des fonctions de ce bloc avec des blocs d'IP de contrôle moteur propriétaires, ou bien utiliser le VE pour traiter le contrôle FOC, en partie ou en totalité. Au sein du VE, des modules de contrôle vectoriel, un programmateur d'événements et de contrôle de priorités, un cœur de calcul et un décodeur, une unité opérationnelle ou encore une unité MAC, traitent le signal d'entrée du courant triphasé provenant du CAN du microcontrôleur et l'algorithme FOC. En utilisant ensemble la fonction PMD et le VE, l'utilisateur n'aura besoin que de quelques simples réglages de registres pour gérer toutes les fonctions de contrôle moteur, dont le contrôle de vitesse, l'estimation de position et la génération PWM triphasée avec une résolution de 16 bits. La Figure 3 illustre la souplesse de cette configuration de contrôle vectoriel.


Figure 3 : Une configuration de contrôle vectoriel flexible
En utilisant le VE, le temps total d'exécution pour la boucle de contrôle n'est que de 14 µs (dont 5 µs pour l'estimation de position et les calculs de contrôle de vitesse effectués par l'unité centrale et 9 µs pour les calculs FOC). Soit beaucoup moins qu'avec un logiciel FOC typique et seulement 54% du temps d'exécution d'un microcontrôleur concurrent opérant à 100MHz/165MIPS. Cette rapidité permet de faire tourner le moteur à un plus grand nombre de tours/minute (RPM) alors que la vitesse d'horloge plus lente consomme moins d'énergie.

Cette performance et cette efficacité plus élevées sont obtenues grâce à l'implémentation des blocs PMD et VE, et également au fait que l'approche de Toshiba fournit le même niveau de précision qu'un composant tournant à une plus haute fréquence sans l'utilisation d'une FPU. S'y ajoute que, avec un peu moins de 4000 octets, le code requis ne pèse qu'un peu plus de la moitié d'une solution à base de FPU.

Au-delà des composants

Outre le choix des composants appropriés, l'écosystème qui vient supporter une certaine approche a aussi son importance. Même avec des fonctions matérielles dédiées, un contrôle moteur intelligent présente des problèmes significatifs. La qualité du support et des outils de développement impacte fortement la facilité et la vitesse de mise en œuvre. La disponibilité de conceptions de référence et de kits de démarrage pour l'évaluation d'une approche, le prototypage et le test, doit être prise en compte au même titre que l'accès à des outils de sociétés tierces. Ce dernier point est grandement facilité par le choix de microcontrôleurs ayant une architecture non-propriétaire. Le cœur ARM Cortex-M3 déjà cité est, par exemple, un standard de fait dans l'industrie et des environnements de développement sont facilement disponibles auprès de sociétés comme Atollic, IAR et Keil.

Plus récemment, des logiciels fonctionnant sur PC sont venus s'ajouter à la boîte à outils dédiée au développement de solutions de contrôle moteur intelligent. Ces logiciels offrent des interfaces de type graphique utilisateur (GUI) intuitives pour le réglage et la visualisation du comportement d'un moteur. En contribuant à optimiser leurs conceptions, ces outils logiciels supportent aussi le déploiement de designs plus efficaces.


Figure 4 : Le logiciel PC MotorMind
Le logiciel Motormind, présenté Figure 4, en est un exemple. Couplé à une carte d'évaluation adaptée, Motormind permet aux ingénieurs de transférer leurs paramètres clés vers un microcontrôleur cible (par exemple la polarisation, les réglages, l'information de rotation, d'accélération ou encore des détails d'encodage) et de modifier des réglages du système comme le contrôle PI, les temps morts, la fréquence PWM ou le comportement lors des phases arrêt/mise en route. Comme le moteur peut immédiatement tourner avec les nouveaux réglages sans nouvelle compilation logicielle, il est possible de personnaliser la configuration du moteur en l'espace d'une heure et les valeurs peuvent être modifiées en temps réel selon les besoins. Le nouveau logiciel offre différents visuels, dont un affichage de la vitesse et du couple, une vision statistique et une surveillance de la charge de l'unité centrale, qui permet aux designers d'observer en temps réel l'effet des modifications des divers paramètres de contrôle moteur sur le comportement du moteur, la performance de l'unité centrale et l'efficacité en accélération, le fonctionnement à la vitesse cible et la décélération. Une fonction mDSO intégrée permet en outre aux designers d'identifier rapidement des bogues et/ou des problèmes lors du prototypage et du test, et de les résoudre.

Toshiba prévoit d'étendre l'utilisation de MotorMind aux systèmes fonctionnant sous Android en faisant appel à des communications bidirectionelles à l'aide d'une liaison Bluetooth entre le kit de démarrage et un téléphone ou une tablette informatique. Cette évolution augmentera encore la flexibilité et la facilité d'utilisation pour les designers. Elle offrira en outre une séparation galvanique lors des tests des conceptions de moteur haute tension, et simplifiera le test en fonctionnement réel d'applications mobiles comme les vélos à assistance électrique.

Roland Gehrmann est responsable marketing de la gamme Consumer and Industrial IC et Frank Malik responsable d'ingénierie pour l'activité Motor Control Solutions chez TEE.