Electronique - Les circuits de contrôle de moteur

[ DOSSIER ]
Les circuits de contrôle de moteur
L'omniprésence des moteurs électriques suscite une offre en composants pléthorique. La commande laisse la part belle au logiciel dans un souci d'économie d'énergie, de précision et d'optimisation des plates-formes à base de microcontrôleur.

Jean-Florent Helie , Electronique Mensuel, le 15/06/2006 à 07h00

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	Sommaire du dossier
	Les circuits de contrôle de moteur
	Les périphériques microcontrôleurs se plient en quatre

Le contrôle de moteur électrique est évoqué dans les catalogues de la totalité des fabricants de microcontrôleurs. De la commande d'un moteur DC avec ou sans balais (BLDC) de ventilateur, à celle d'une machine asynchrone industrielle, le niveau d'intégration et la valeur ajoutée ne seront pas les mêmes. La spécificité de chaque type de machine est de plus en plus gérée au niveau logiciel par des microcontrôleurs, générant les signaux adaptés sous forme de modulation d'impulsions (MLI ou PWM). La finesse des algorithmes, la précision du matériel et la vitesse de calcul permettent de maîtriser la génération du champ magnétique tournant pour gagner en rendement, économiser un capteur de position ou diminuer les couples de frottement. Une commande performante autorisera la réduction du bruit acoustique et électrique.

Du fait de cette tendance à la commande logicielle, ce « Dossier » aura pour vocation de présenter l'offre en microcontrôleurs et DSP pensés pour ces applications de commande de machines. Les principales sociétés fournissant des circuits de puissance dédiés contenant une certaine intelligence seront également évoquées. Nous ne présenterons pas l'offre en matière de discrets et de circuits de puissance génériques peu intelligents (drivers de grille, commandes de demi-pont avec génération de temps mort). Ces circuits sont au catalogue de certains fabricants cités ici, mais se trouvent également chez les fournisseurs de circuits analogiques dont l'offre est peu fournie en circuits programmables. Ces composants de puissance pourront être utilisés aussi bien pour la commande d'un moteur que d'un éclairage, voire afin de piloter un transducteur électroacoustique en sortie d'un amplificateur audio en classe D. Car, dans la commande de moteur comme dans la hi-fi, l'efficacité repose sur l'utilisation de la modulation d'impulsions.

De nombreux types de moteurs
Il est facile de se perdre dans les différentes catégories de moteurs alternatifs dont font partie paradoxalement les moteurs BLDC. Cette confusion est renforcée par une architecture des étages de puissance à première vue générique. La tâche se résume à alimenter une charge inductive par commutation sur une à quatre phases. Les architectures à trois phases étant fréquemment rencontrées pour l'utilisation avec des moteurs AC à induction, à aimant permanent et BLDC. En matière de moteurs synchrones, les machines à aimant permanent connaissent un regain d'intérêt, car elles deviennent compétitives par rapport aux moteurs à rotor et stator bobinés qui souffrent du prix élevé du cuivre sur le marché des matières premières.

Quelle que soit la machine utilisée, il convient de distinguer les différentes approches en matière de commande de puissance. On peut choisir d'utiliser des circuits spécialisés, aptes à faire varier la vitesse et le sens de rotation du moteur tout en assurant la protection du système en cas de surcharge ou dysfonctionnement. Dans la majorité des applications, ce circuit répondra aux injonctions d'un microcontrôleur qui déclenchera le fonctionnement du moteur à la demande.

Ce sera souvent l'approche la plus radicale pour la commande PWM d'un moteur DC lorsque l'on souhaite faire varier sa vitesse de rotation, plutôt que de le faire fonctionner à l'aide d'un relais sous une tension de service fixe.

Un microcontrôleur pourra exploiter en retour les informations sur l'état en provenance du circuit périphérique, ou bien disposera lui-même de sa propre connexion à un capteur de position ou de courant, selon les prestations offertes par le circuit dédié. Ce dernier pourra parfois intégrer les transistors de commutation, notamment dans le cas de moteurs pas à pas. Si tel n'est pas le cas, la conception sera un peu plus délicate, mais on disposera d'un degré de liberté supplémentaire pour optimiser sa plate-forme à l'aide de composants discrets dernier cri affichant des pertes réduites.

Les composants de puissance incorporent ainsi un certain niveau de logique, que ce soit en technologie monolithique ou sous forme de modules multipuces, associant deux filières silicium dans un boîtier spécialisé pour dissiper au mieux l'énergie. On disposera selon les niveaux de puissance requis de circuits plus ou moins dédiés, qu'il s'agisse de transistors discrets et drivers de demi-pont, ou bien de circuits et de modules de puissance intégrés. Ces circuits intelligents seront à même de prendre en charge la commande de vitesse en toute sécurité à partir d'une simple consigne sous forme analogique, issue d'un capteur ou bien contenue dans une onde PWM. Les moteurs pas à pas bipolaires disposent souvent de circuits entièrement intégrés et spécialisés comme en proposent AMI Semiconductor, Trinamic ou Allegro MicroSystems. Il en est de même pour les moteurs DC de puissance moyenne et pour les BLDC de faible puissance. Ces derniers règnent en maître dans les applications de ventilation, mais gagnent aussi du terrain partout où la fiabilité et la performance accrues par l'absence de balais représentent un avantage. Cette popularité doit beaucoup au coût réduit de la commande électronique qui peut être directement intégrée au moteur.

L'autre approche consiste à intégrer la totalité des algorithmes sous forme logicielle dans le microcontrôleur qui délivrera les impulsions de commande aux différentes phases. On utilisera des drivers de demi-pont de redressement synchrone qui se chargeront de gérer les temps morts, ou bien on générera l'onde à destination de chacun des transistors. Cette dernière approche pourra faire appel à un bloc PWM conçu pour délivrer deux trains d'impulsion sans recouvrement pour chaque phase.

Parfois, à des fins d'expérimentation, ou bien pour des commandes à forte valeur ajoutée, on mettra en oeuvre un processeur de signal puissant et la logique de génération des impulsions sera confiée à un FPGA. Le format du train d'impulsions pourra en effet être amélioré, par exemple pour diminuer la pollution électromagnétique ou bien compenser les variations de tension sur le bus d'alimentation redressé. Dans le même esprit, de nombreux microcontrôleurs sont également capables d'héberger la commande de l'étage de correction active du facteur de puissance. Si le système est complexe et fait déjà appel à un processeur d'application, on comprend qu'il y aura de nombreuses manières de répartir la charge logicielle et l'association de périphériques mixtes. La cohérence de l'offre des fabricants généralistes, qui proposent des plates-formes de démonstration et l'assistance qui les accompagne, prend alors tout son sens.

Une commande vectorielle
Le but recherché lors de la conception d'une commande de moteur est d'obtenir une rotation en douceur quelle que soit la vitesse, ainsi que des accélérations et décélérations rapides tout en ayant un contrôle total du couple à vitesse nulle. Dans une telle optique, la technique de contrôle vectoriel à flux rotorique orienté (FOC) est souvent vantée avec les moteurs alternatifs triphasés. Cette méthode repose sur le même principe que celle utilisée pour les moteurs alternatifs à induction et les moteurs synchrones à aimants permanents. Il s'agit de décomposer un courant de stator en composantes produisant un flux et un couple. Ces dernières peuvent être contrôlées séparément après décomposition et transformation de la matrice obtenue, à l'aide de la fameuse transformée de Park, souvent proposée dans les bibliothèques logicielles. La structure de commande est alors aussi simple que pour un moteur à courant continu à excitation séparée.

Pour effectuer la décomposition, il est nécessaire d'avoir des informations sur la position et la vitesse du rotor. Les résolveurs sont souvent utilisés en milieu industriel et certains microcontrôleurs intègrent un décodeur de signaux en quadrature pour exploiter les informations qu'ils délivrent. Dans les applications à faible coût, comme l'électroménager, de tels capteurs sont trop onéreux. Il apparaît alors intéressant d'estimer la position du rotor de manière indirecte, par exemple en analysant les variations d'impédance des enroulements ou en se basant sur un modèle de moteur.

Ce type de commande suppose des calculs intensifs. Au niveau composant, l'approche voit s'affronter les partisans du microcontrôleur traditionnel et les fournisseurs de DSP, qui voient dans ces applications un terrain de croissance. Analog Devices a ainsi doté ses DSP de timers PWM et d'un convertisseur analogique-numérique, dont la performance profite du procédé de lithographie avancé. En réponse, Freescale dote ses microcontrôleurs 56F8xxx d'un multiplieur câblé, et les désigne ainsi sous le terme DSC (digital signal controller), intitulé également employé par les fournisseurs de DSP. Ce multiplieur câblé se retrouve sur des offres 8 bits (Atmel, Cypress), alors que d'autres se contenteront de garantir le temps d'exécution de la multiplication.