Principes fondamentaux de la commande des moteurs BLDC avec des exemples de simulation

Principaux enseignements

• La commutation trapézoïdale en six étapes permet de visualiser le mécanisme de commutation, ce qui en fait le premier variateur idéal pour quiconque souhaite s'initier correctement à la commande des moteurs.
• L'ondulation de couple dans un entraînement à six étapes résulte d'un chevauchement de courant à chacun des six instants de commutation, et non d'un mauvais réglage du régulateur.
• Les méthodes basées sur un capteur à effet Hall et celles sans capteur, qui exploitent la force contre-électromotrice, divergent principalement au démarrage, et cette seule différence détermine le choix du capteur dans la plupart des groupes motopropulseurs de série.

Un entraînement à courant continu sans balais commute le courant entre les enroulements à l'angle de rotor approprié, et chaque choix de conception dépend de la qualité de l'alignement de cette commutation.

Les systèmes à moteurs électriques représentent 53 % de la consommation mondiale d’électricité; la logique de commutation au sein d’un onduleur triphasé n’est donc pas une question marginale. C’est dans le contrôle trapézoïdal à six étapes que cette logique est la plus facile à observer, car chaque commutation est un événement discret que l’on peut identifier sur la courbe d’un oscilloscope.

L'ondulation de couple n'est pas un défaut que l'on peut corriger par la suite à l'aide d'un variateur à six étages. Il s'agit du résultat arithmétique des temps de montée et de descente finis du courant à chacun des six instants de commutation, et un banc de simulation est le seul endroit où il est possible de la mesurer avant de passer au dynamomètre.

Que signifie « commande d'un moteur BLDC » et comment fonctionne la commutation ?

La commande d'un moteur BLDC repose sur la commutation électronique. Un onduleur triphasé alimente à tout moment deux des trois enroulements du stator et alterne la paire sous tension au fur et à mesure que le rotor tourne, en maintenant le champ du stator avec une avance d'environ 90 degrés électriques par rapport au rotor, ce qui permet de maintenir le couple à un niveau proche de son maximum.

Le matériel se compose de six commutateurs répartis en trois demi-ponts. Six états de conduction valides couvrent un tour électrique, chacun étant maintenu pendant 60 degrés électriques. Un moteur à 4 pôles effectue deux tours électriques par tour mécanique ; ainsi, un arbre tournant à 3 000 tr/min nécessite 600 événements de commutation par seconde de la part du variateur.

La conduction biphasée fonctionne grâce à la forme de la force contre-électromotrice. Un moteur BLDC est bobiné de manière à ce que sa force contre-électromotrice soit trapézoïdale, avec un plateau vers 120 degrés électriques, et un courant constant dans cette plage assure un couple constant. Les moteurs bobinés pour une force contre-électromotrice sinusoïdale ne se comportent pas ainsi, d’où les appellations BLDC ou PMSM.

Comment la séquence de commutation trapézoïdale en six étapes pilote le variateur

Le variateur passe successivement par six paires de commutateurs dans un ordre fixe pour un sens de rotation. Chaque état relie un enroulement au rail positif et un autre au rail négatif, tandis que le troisième reste flottant ; la séquence avance d'un état tous les 60 degrés électriques de déplacement du rotor.

La régulation de vitesse s’appuie sur cette séquence. Le commutateur côté haut est modulé en largeur d’impulsion à une fréquence comprise entre 10 et 20 kHz tandis que le commutateur côté bas de la paire conductrice reste activé ; ainsi, la tension moyenne de l’enroulement suit le rapport cyclique, et un régulateur de courant se ferme autour d’une valeur de dérivation du bus CC. Si l’on inverse l’ordre, l’arbre tourne en sens inverse. Si un état est sauté en raison d’un front de position manqué, le moteur cale sous l’effet de la lutte entre les deux enroulements ; c’est pourquoi un défaut apparaissant uniquement au-delà de 2 000 tr/min est presque toujours un problème de synchronisation plutôt qu’un problème de séquence.

Comment la commutation par capteur à effet Hall détecte la position du rotor en 6 secteurs

Trois capteurs à effet Hall espacés de 120 degrés électriques produisent un code à 3 bits qui change six fois par tour électrique. Chaque code valide correspond à un seul état de l’onduleur grâce à une table de correspondance ; le contrôleur n’a donc pas besoin de calculer l’angle.

Cette table de correspondance constitue l'intégralité de l'estimateur de position. Les codes 101, 100, 110, 010, 011 et 001 apparaissent dans un ordre fixe, tandis que les codes 000 et 111 indiquent une défaillance du capteur ou un câblage incorrect. Un montage de la carte du capteur avec un désalignement mécanique de 5 degrés décale chaque instant de commutation d'une erreur électrique identique, ce qui se traduit par un courant plus élevé pour une même sortie.

La résolution constitue la limite réelle. Avec six fronts par cycle électrique, la position est connue avec une précision de 60 degrés, sans plus ; la vitesse déduite de la synchronisation des fronts devient donc imprécise en dessous de quelques centaines de tr/min. L'ajout d'un quatrième capteur n'apporte rien. Les laboratoires nécessitant un positionnement plus précis optent pour un codeur ou un résolveur.

« Cette table de correspondance constitue l'intégralité de l'estimateur de position. »

La commutation par force contre-électromotrice sans capteur sacrifie la simplicité de démarrage au profit de la complexité des capteurs

La commutation sans capteur mesure la force contre-électromotrice (FCE) sur l'enroulement flottant, détecte l'instant où celle-ci traverse la tension neutre, puis attend 30 degrés électriques avant de passer à l'état suivant. La phase non connectée fait office de capteur de position, ce qui permet de se passer de la carte à effet Hall et de son câblage.

La détection du passage à zéro est rarement parfaite. Le découpage PWM sur les phases conductrices injecte du bruit dans l'enroulement flottant ; c'est pourquoi les implémentations effectuent des échantillonnages uniquement pendant la période d'arrêt du PWM ou appliquent une fenêtre de suppression de quelques dizaines de microsecondes après chaque commutation.

L'arrêt est la véritable contrainte. Un rotor à l’arrêt ne produit pas de force contre-électromotrice ; le variateur aligne donc le rotor à l’aide d’un vecteur de courant fixe et augmente la fréquence de commutation en boucle ouverte jusqu’à ce que le signal soit suffisamment fort pour fermer la boucle, généralement entre 5 % et 10 % de la vitesse nominale. Les pompes et les ventilateurs tolèrent ce démarrage « à l’aveugle ». Ce n’est pas le cas d’un variateur de traction développant son couple maximal dès la vitesse nulle sous charge, ce qui explique la plupart des choix de capteurs que l’on retrouve dans les groupes motopropulseurs de série.

D'où provient l'ondulation du couple à chaque instant de commutation ?

L'ondulation du couple de commutation apparaît parce que le courant de phase sortant ne diminue pas au même rythme que le courant de phase entrant augmente. Pendant ce chevauchement, les trois courants d'enroulement cessent de produire un couple constant, et l'arbre subit une baisse ou un pic six fois par tour électrique.

Les vitesses de montée et de descente sont déterminées par la tension disponible aux bornes de l'inductance de l'enroulement, et ces deux vitesses ne coïncident que lorsque la tension du bus CC est proche de 4 fois la force contre-électromotrice de phase. En dessous de cette vitesse, le courant entrant augmente plus lentement que le courant sortant ne diminue, ce qui entraîne une baisse du couple. Au-delà, le courant sortant persiste et le couple connaît au contraire un pic. Le couple de cogging et le désalignement des capteurs s'ajoutent à cette base de référence ; par conséquent, pour séparer ces sources, il faut un modèle permettant de les désactiver indépendamment les unes des autres.

« L'ondulation du couple de commutation apparaît parce que le courant de phase sortant ne diminue pas au même rythme que le courant de phase entrant augmente. »

Comparaison entre la régulation en six étapes et la régulation orientée champ

La principale différence entre la commande à six pas et la commande orientée champ réside dans la précision avec laquelle chacune d'elles détermine l'angle du rotor. La commande à six pas divise la position en secteurs de 60 degrés et effectue des commutations par sauts discrets, tandis que la commande orientée champ régule le courant de manière continue dans un référentiel aligné sur le rotor.

La commande en six étapes présente des avantages en termes de coût et de rapidité avec laquelle un étudiant peut localiser un défaut au niveau d'un commutateur, tandis que la commande à orientation de champ offre de meilleurs résultats en matière d'ondulation et de bruit acoustique, au prix d'un processeur plus rapide et d'une source de position plus précise.

Exemples de simulations qu'un laboratoire pédagogique peut réellement réaliser ce semestre

Une séquence pratique de travaux pratiques sur les moteurs BLDC commence par un modèle d'onduleur idéal, auquel on ajoute une imperfection à la fois. Les étudiants effectuent la commutation en boucle ouverte, ajoutent un retour d'information par capteur à effet Hall, puis une régulation de courant, avant de mesurer l'ondulation du couple en fonction des instants de commutation sur le même axe temporel.

• Commutation en boucle ouverte en six étapes avec un rapport cyclique fixe, permettant de vérifier l'ordre et le calage des commutations.
• Rétroaction Hall avec une erreur de montage intentionnelle de 5 degrés, illustrant comment un désalignement entraîne un gaspillage de courant.
• Détection de la force contre-électromotrice sans capteur, avec une fenêtre de suppression et une rampe de démarrage en boucle ouverte.
• Ondulation du couple de commutation à trois vitesses, aux alentours du point où la tension du bus est égale à quatre fois la force contre-électromotrice.
• Une injection de défaut, telle qu'un enroulement ouvert ou un code Hall bloqué.

Les essais sur les groupes motopropulseurs électriques ne sont plus l'apanage de groupes spécialisés, mais font désormais partie intégrante des programmes d'études classiques, et les ventes de voitures électriques ont dépassé les 17 millions d'unités en 2024. La réalisation de ces exercices à des fréquences de Simulation HIL modifie la perception des étudiants, car un OPAL-RT OP4512 exécutant un modèle RT-LAB avec des pas de temps FPGA inférieurs à la microseconde résout les fronts PWM ; ainsi, le chevauchement de courant à l'origine de l'ondulation de couple apparaît sous forme d'onde plutôt que sous forme de valeur moyenne.

Ce qu'un travail de commutation rigoureux permet d'acquérir chez un ingénieur en contrôle-commande

Les ingénieurs qui ont mis au point un système d'entraînement en six étapes, en partant du tableau de commutation, sont capables d'analyser plus rapidement tout problème de commande ultérieur. Ils savent à quoi ressemble un instant de commutation, quel est l'impact d'un front de position manqué sur l'arbre, et pourquoi une valeur d'ondulation de couple indiquée sans vitesse associée ne vous apprend pratiquement rien.

Une bonne habitude à adopter est de mesurer avant de procéder au réglage. Un étudiant qui attribue un fonctionnement irrégulier au régulateur actuel, alors que la carte Hall présente un décalage de quelques degrés, en apprendra davantage en effectuant une seule mesure qu’en passant un après-midi à ajuster le gain.

Les laboratoires pédagogiques qui regroupent le modèle, l’onduleur et la machine sur une seule base temporelle fournissent aux étudiants des résultats auxquels ils font confiance, ce qu’OPAL-RT met en œuvre pour les équipes chargées des groupes motopropulseurs. Les principes mathématiques du contrôle orienté champ sont plus faciles à comprendre pour quelqu’un qui sait déjà à quoi servaient ces six étapes et pourquoi le fonctionnement de l’arbre ne semblait jamais parfaitement fluide.