Les moteurs BLDC et les variateurs moteurs intégrés sont essentiels aux performances des robots et des drones

Depuis leur développement dans les années 1960, les moteurs CC sans balais (BLDC) se sont révélés plus efficaces et plus durables que les moteurs CC à balais qui les ont précédés. Alors que les applications industrielles à forte puissance sont passées aux moteurs synchrones à courant alternatif (CA), de nombreuses autres applications utilisent désormais des moteurs BLDC.

Aujourd'hui, les moteurs BLDC font partie intégrante du quotidien des consommateurs. On les trouve dans des outils fonctionnant sur batterie comme les perceuses et les souffleurs de feuilles, dans des appareils électroménagers comme les machines à laver et les imprimantes, ainsi que dans les vélos et les voitures électriques. Dans les environnements industriels, les moteurs BLDC sont utilisés dans les applications de contrôle de mouvement et de manutention de matériaux. Les moteurs BLDC alimentent également les véhicules terrestres sans pilote (UGV), les drones et autres véhicules aériens sans pilote (UAV) similaires, ainsi que les robots chirurgicaux et les exosquelettes d'assistance.

Alors que les moteurs CC à balais dépendent de balais de commutation en métal ou en carbone pour conduire l'énergie vers les enroulements du moteur, les moteurs BLDC fonctionnent sans contact. L'absence de frottement et d'usure les rend plus efficaces, réduit les besoins d'entretien et prolonge la durée de vie des moteurs. Ils offrent également de meilleures performances, avec des vitesses plus élevées, des couples plus importants et un rapport puissance/poids supérieur. Des systèmes de contrôle sophistiqués permettent aux moteurs BLDC de modifier leur vitesse ou leur couple de manière quasi instantanée, tout en assurant un positionnement précis et en garantissant la sécurité.

Les performances offertes par les variateurs de moteurs BLDC sophistiqués confèrent à ces moteurs et à leurs systèmes de commande un attrait particulier pour les ingénieurs concevant des robots et des drones modernes qui exigent miniaturisation, vitesse, précision, sécurité et maintenance minimale.

Principes de base des moteurs BLDC

La structure à trois composants des moteurs BLDC peut sembler simple à première vue. Un stator stationnaire abrite de deux à huit ensembles d'enroulements en cuivre répartis autour d'une circonférence qui entoure, est entourée par ou est parallèle à un rotor contenant des aimants permanents (Figure 1). Un contrôleur de moteur se connecte au stator, accède aux données de position et alimente les enroulements.

Figure 1 : Le contrôleur d'un moteur BLDC triphasé commute l'alimentation des enroulements du stator (U, V et W) et leur polarité, modifiant ainsi l'orientation du champ magnétique. Le rotor à aimant permanent (en bleu) tourne pour s'aligner sur le champ magnétique du stator. (Source de l'image : Qorvo)

L'alimentation d'un ensemble d'enroulements dans le stator crée un champ magnétique auquel réagissent les aimants permanents du rotor. L'attraction entre les pôles magnétiques opposés entraîne la rotation du rotor. Avant que le rotor puisse s'aligner sur le champ magnétique du stator, le contrôleur commute l'alimentation des enroulements, modifiant ainsi l'orientation du champ magnétique afin de maintenir le rotor en mouvement.

En pratique, les impulsions de courant que le contrôleur envoie au stator passent de l'état activé à l'état désactivé et changent de polarité à une fréquence telle que le courant peut être représenté par une forme d'onde. Le schéma de commutation illustré à la Figure 1 est représenté par une onde trapézoïdale. D'autres moteurs, notamment les moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM), qui sont similaires aux moteurs BLDC dans leur conception, mais utilisent un courant variable pour faire tourner un champ magnétique auquel le rotor se verrouille, présentent des formes d'onde sinusoïdales. Les réglages de l'amplitude et de la phase de ces ondes modifient la vitesse du moteur et le couple disponible.

Le contrôleur reçoit également un retour d'information constant provenant de capteurs de position tels que des capteurs à effet Hall ou des codeurs optiques. Dans les moteurs BLDC sans capteur, la mesure de la force contre-électromotrice (BEMF), c'est-à-dire le courant généré dans les enroulements non alimentés par le champ magnétique produit par les enroulements alimentés, est utilisée pour déterminer la position du rotor.

Développement des variateurs moteurs

Compte tenu de l'architecture complexe nécessaire pour surveiller, alimenter et contrôler les moteurs BLDC, il n'est pas surprenant que les anciens contrôleurs de moteurs BLDC utilisant des composants électroniques à semi-conducteurs nécessitaient leur propre espace dans une armoire et d'épais câbles d'alimentation et de données reliant les moteurs dans les environnements industriels. Les circuits intégrés de plus en plus sophistiqués ont permis de réduire la taille des contrôleurs de moteurs jusqu'à ce qu'ils puissent tenir sur une carte à circuit imprimé. Malgré leur miniaturisation, les capacités des contrôleurs de moteurs actuels continuent de s'étendre.

Par exemple, le variateur de moteur BLDC triphasé ACT72350 de Qorvo (Figure 2) combine un circuit d'entrée analogique (AFE) configurable, un module de gestion de l'alimentation qui s'adapte à une variété de configurations d'alimentation et un variateur moteur spécifique à l'application (ASPD) dans un seul boîtier QFN à montage en surface de 9 mm par 9 mm.

Figure 2 : Le variateur de moteur BLDC triphasé intégré ACT72350 associe un circuit AFE à une gestion de l'alimentation configurable dans un boîtier compact à montage en surface. (Source de l'image : Qorvo)

Le circuit AFE configurable de l'ACT72350 comporte trois amplificateurs différentiels à gain programmable, quatre amplificateurs asymétriques à gain programmable, deux convertisseurs numérique-analogique 10 bits et dix comparateurs qui lui permettent d'agir comme un pont entre les capteurs et les circuits de commande. Il reçoit également des signaux de commande PWM (modulation de largeur d'impulsion) 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 comprises entre 25 V et 160 V, y compris l'alimentation par batterie jusqu'à une norme 20S (nominalement 72 V ou 84 V à pleine charge). Son alimentation à découpage haute tension fournit une tension de sortie stable de 12 V ou 15 V. Il fournit également une alimentation stable de 5 V et 200 mA aux modules de l'ACT72350 et au microcontrôleur.

Les modules ASPD de l'ACT72350 peuvent piloter le moteur avec une architecture en demi-pont, en pont en H ou triphasée (Figure 3). Trois circuits d'attaque de grille à haut potentiel à 160 V et trois à bas potentiel à 20 V disposent chacun de capacités de commande de grille de 2 A (source)/2 A (absorption) pour permettre une commutation rapide pour une vitesse de moteur plus élevée.

Figure 3 : Le schéma fonctionnel du module ASPD de l'ACT72350 illustre les circuits d'attaque de grille à haut potentiel et bas potentiel. La broche nBRAKE est activée par un contrôleur externe afin d'arrêter la rotation du moteur par mesure de sécurité. (Source de l'image : Qorvo)

L'ACT72350 réduit le nombre de composants électroniques nécessaires à la commande d'un moteur BLDC. Cette unité combine des modules qui gèrent les entrées de signaux analogiques, acceptent et normalisent les entrées d'alimentation et commandent le moteur dans un boîtier compact à montage en surface unique. Dans le même temps, l'ACT72350 préserve la flexibilité de conception en permettant à n'importe quel microcontrôleur choisi de fournir des signaux de commande via SPI.

Déploiement de drones

Simplifier l'électronique de commande des moteurs BLDC en un seul boîtier intégré et un microcontrôleur est essentiel pour les applications où l'espace et le poids sont des facteurs critiques, comme les drones et autres véhicules aériens sans pilote (UAV). Les concepteurs de ces systèmes choisissent des moteurs BLDC afin d'exploiter au mieux chaque gramme et chaque millimètre carré d'espace, et les variateurs moteurs doivent contribuer à cet objectif. Le rapport couple/poids élevé des moteurs BLDC signifie qu'ils sont relativement légers compte tenu de la puissance qu'ils fournissent aux rotors ou aux hélices des drones. Leur rendement énergétique supérieur à 85 % leur permet de transporter des charges utiles plus importantes ou de voler plus longtemps avec une seule charge de batterie.

Un variateur moteur compact comme l'ACT72350 combine plusieurs fonctions dans un boîtier de petite taille, tout en offrant des performances moteur de haute qualité. Au lieu de recourir à une armoire de commande et à des câbles épais et lourds, les concepteurs de drones et de véhicules aériens sans pilote peuvent utiliser plusieurs ACT72350, une batterie et le microcontrôleur de leur choix, le tout déployé sur le véhicule. Les circuits d'attaque de grille haute tension de l'ACT72350 prennent en charge une commutation à haute vitesse pour un fonctionnement fluide, libérant ainsi le microcontrôleur de la carte de commande de vol pour des instructions de vol de plus haut niveau.

Le rendement en termes d'espace et de poids n'est peut-être pas aussi important pour les véhicules terrestres sans pilote (UGV), mais leurs concepteurs choisissent tout de même les moteurs BLDC pour leur couple élevé dans les applications de propulsion et leur capacité à fournir des mouvements précis dans les applications de direction. Les moteurs BLDC sont également très appréciés dans ces applications en raison de leurs faibles besoins d'entretien, un critère particulièrement important dans les environnements en extérieur.

Réinventer la robotique

Un moteur BLDC nécessitant peu d'entretien présente également un avantage dans le domaine de la robotique, où il garantit une fiabilité à long terme dans les applications à cycles élevés. Les moteurs BLDC actionnent les articulations des bras robotiques industriels, des exosquelettes, des préhenseurs et manipulateurs de matériaux, des prothèses et des robots humanoïdes de compagnie.

Dans toutes ces applications, la conception légère et compacte des moteurs BLDC contribue à leur fonctionnement efficace, à leur grande précision et à l'amplitude de mouvement qu'ils permettent. Le rapport couple/poids élevé dont bénéficient les drones permet également aux moteurs BLDC d'alimenter les robots sans ajouter de poids ni augmenter leur encombrement. Grâce à son circuit AFE intégré fournissant une capacité d'entraînement jusqu'à 2 A (source et absorption), l'ACT72350 est configuré pour accepter les signaux provenant de plusieurs capteurs de position de rotor ou pour mesurer la force contre-électromotrice, assurant un contrôle précis de la vitesse dans une application robotique.

La sécurité est également primordiale dans ces applications, où les équipements fonctionnent souvent à proximité de personnes ou de biens ou d'équipements de grande valeur. Le dispositif AFE permet au système de réagir instantanément aux conditions de surchauffe, de surtension et de surintensité qui pourraient constituer une menace pour les composants électroniques ou les personnes se trouvant à proximité. L'ACT72350 peut également assurer un freinage d'urgence via la broche nBRAKE de l'ASPD. Un signal de 50 µs provenant du microcontrôleur ou d'un microcontrôleur de sécurité redondant vers la broche nBRAKE désactive tous les circuits d'attaque de grille haut potentiel, tandis que les circuits d'attaque de grille bas potentiel effectuent le freinage et les entrées PWM sont ignorées.

Conclusion

Les concepteurs choisissent les moteurs BLDC pour de nombreuses applications dans des domaines tels que le secteur médical, les produits de consommation, l'automobile, les loisirs, l'industrie, et bien d'autres. Pour tirer parti du rendement, du couple, des vitesses élevées, de la précision et des faibles exigences d'entretien des moteurs BLDC, les concepteurs doivent également choisir des variateurs moteurs capables de gérer la combinaison complexe d'entrées de capteurs analogiques, de commandes numériques provenant du microcontrôleur, de sources d'alimentation avec des tensions et des courants variés et des impulsions de courant à commutation rapide nécessaires pour alimenter les enroulements du moteur. Les contrôleurs de moteurs comme l'ACT72350 de Qorvo, qui combinent ces fonctionnalités dans un boîtier compact, contribuent au succès des moteurs BLDC dans les applications avancées.