Depuis leur développement réussi dans les années 1960, les moteurs à courant continu sans balais (BLDC) se sont révélés plus efficaces et ont une durée de vie plus longue que les précédents moteurs à courant continu avec balais (CC). Parallèlement à l'évolution vers des moteurs synchrones à courant alternatif (AC) dans les applications industrielles de haute puissance, de nombreuses autres applications ont également commencé à utiliser des moteurs BLDC.
De nos jours, les moteurs BLDC ont pénétré tous les aspects de la vie quotidienne des consommateurs. On les trouve dans les outils alimentés par batterie tels que les perceuses et les souffleurs, les appareils électroménagers tels que les machines à laver et les imprimantes, ainsi que dans les vélos et les voitures électriques. Dans les environnements industriels, les moteurs BLDC ont été utilisés pour les applications de contrôle de mouvement et de manutention. Les moteurs BLDC alimentent également les véhicules terrestres sans pilote (UGV), les drones et les véhicules aériens sans pilote (UAV) similaires, ainsi que les robots chirurgicaux et les exosquelettes d'assistance.
Les moteurs à courant continu à balais reposent sur des balais de collecteur en métal ou en carbone pour fournir de l'énergie électrique aux enroulements du moteur, tandis que les moteurs BLDC sont sans contact. Du fait de l’absence de friction et d’usure, il est plus efficace, nécessite moins d’entretien et a une durée de vie du moteur plus longue. Les performances du BLDC sont également meilleures, avec une vitesse plus rapide, un couple plus élevé et un rapport puissance/poids plus élevé. Grâce à des systèmes de contrôle avancés, les moteurs BLDC peuvent modifier presque instantanément la vitesse ou le couple et fournir un positionnement précis pour garantir la sécurité.
Les performances exceptionnelles démontrées par les pilotes de moteur BLDC avancés rendent ces moteurs et leurs systèmes de contrôle très attrayants pour les ingénieurs qui conçoivent des applications modernes de robots et de drones, qui nécessitent généralement des fonctionnalités telles que la miniaturisation, la vitesse élevée, la haute précision, la sécurité élevée et de faibles exigences de maintenance.
Principe de base du moteur BLDC
Le moteur BLDC a une structure en trois parties si simple qu'elle est tout simplement incroyable. Le stator fixe est équipé de deux à huit jeux de bobinages en cuivre, répartis sur une circonférence entourée ou parallèle au rotor équipé d'aimants permanents (Figure 1). Le contrôleur de moteur est connecté au stator pour obtenir des données de position et alimenter l'enroulement.
Contrôleur pour moteur BLDC triphasé
Figure 1 : Le contrôleur de moteur BLDC triphasé modifie la direction du champ magnétique du stator en commutant l'état sous tension et la polarité du courant des enroulements du stator (phases U, V, W). Le rotor (partie bleue) avec aimants permanents intégrés tourne en conséquence, conservant ainsi la même direction que le champ magnétique du stator. (Source de l'image : Qorvo)
L'application d'électricité à un ensemble d'enroulements dans le stator générera un champ magnétique et l'aimant permanent du rotor répondra à ce champ magnétique. L'attraction entre les pôles magnétiques opposés fait tourner le rotor. Avant d'aligner le rotor avec le champ magnétique du stator, le contrôleur commutera l'enroulement sous tension, changera la direction du champ magnétique et maintiendra le rotor en rotation continue.
En fait, l'impulsion de courant envoyée par le contrôleur au stator passera de la conduction à la déconnexion et changera de polarité à une certaine fréquence pour représenter le courant en utilisant une certaine forme d'onde. Le schéma de commutation illustré à la figure 1 est représenté par des ondes trapézoïdales. D'autres types de moteurs, notamment les moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM), ont des ondes sinusoïdales. Ce type de moteur est structurellement similaire à un moteur BLDC, mais entraîne la rotation du champ magnétique à travers des courants variables, et le rotor reste synchronisé et verrouillé avec le champ magnétique. L'ajustement de l'amplitude et de la phase de ces ondes peut modifier la vitesse du moteur et le couple disponible.
Le contrôleur peut également recevoir des informations de retour continues provenant de capteurs de position tels que des capteurs à effet Hall ou des codeurs photoélectriques. Dans les moteurs BLDC sans capteur, la valeur mesurée de la force électromotrice inverse (BEMF) - le courant généré par le champ magnétique généré par l'enroulement sous tension dans l'enroulement non alimenté - peut être utilisée pour déterminer la position du rotor.
Développement de pilotes de moteur
Étant donné que la surveillance, l'alimentation et le contrôle des moteurs BLDC nécessitent des structures complexes, il n'est pas surprenant que les contrôleurs de moteur BLDC à l'ancienne utilisant des dispositifs électroniques à semi-conducteurs dans des environnements industriels nécessitent un espace d'armoire indépendant et des câbles d'alimentation et de données encombrants pour connecter les moteurs. Les circuits intégrés (CI) de plus en plus sophistiqués entraînent la miniaturisation continue des contrôleurs de moteurs, jusqu'à ce qu'ils puissent être intégrés sur des cartes de circuits imprimés (PCB). Malgré la miniaturisation, les fonctionnalités des contrôleurs de moteur actuels continuent de s'étendre.
Par exemple, le pilote de moteur BLDC triphasé ACT72350 de Qorvo (Figure 2). Ce pilote intègre un frontal analogique configurable (AFE), un module de gestion de l'alimentation adapté à diverses configurations d'alimentation et un pilote de moteur dédié (ASPD) dans un dispositif carré plat sans plomb (QFN) à montage en surface de 9 mm x 9 mm.
Pilote de moteur BLDC triphasé intégré Qorvo ACT72350
Figure 2 : Le pilote de moteur BLDC triphasé intégré ACT72350 intègre des circuits AFE et une fonctionnalité de gestion de l'alimentation configurable dans un boîtier compact à montage en surface. (Source de l'image : Qorvo)
L'AFE configurable de l'ACT72350 est équipé de trois amplificateurs à gain programmables différentiels, de quatre amplificateurs à gain programmables asymétriques, de deux convertisseurs analogique-numérique 10 bits et de dix comparateurs, ce qui en fait un pont reliant les capteurs et les circuits de contrôle. Cet AFE peut également recevoir des signaux de commande à modulation de largeur d'impulsion (PWM) provenant d'un microcontrôleur externe (MCU) via une interface périphérique série (SPI).
Le module de gestion de l'alimentation configurable permet à l'ACT72350 d'accepter des tensions d'entrée CC allant de 25 V à 160 V, y compris jusqu'à 20 secondes de capacité de batterie (tension nominale de 72 V ou 84 V lorsqu'elle est complètement chargée). L'alimentation à découpage haute tension de ce module peut fournir une tension de sortie stable de 12 V ou 15 V, et peut également fournir une alimentation stable de 5 V, 200 mA pour les modules ACT72350 et les MCU.
L'ASPD de l'ACT72350 peut utiliser une architecture en demi-pont, en pont en H ou triphasée pour piloter le moteur (Figure 3). Trois pilotes de grille latérale haute tension avec une tension de 160 V et trois pilotes de grille latérale basse tension avec une tension de 20 V, chaque pilote a une capacité de commande de grille de 2 A (courant de traction)/2 A (courant de coulée), ce qui peut obtenir des performances de commutation rapides pour améliorer la vitesse du moteur.