Choisir et mettre en œuvre la bonne conception de commande de moteur afin de répondre aux exigences de l'industrie 4.0

L'ère de l'industrie 4.0, ou de l'Internet industriel des objets (IIoT), rend les systèmes plus intelligents en apportant une intelligence localisée et une connectivité entre les machines et les ordinateurs, ainsi qu'avec Internet. L'une des raisons qui justifie cette connectivité réside dans le fait que les systèmes et sous-systèmes de production peuvent être surveillés et contrôlés en vue d'une plus grande efficacité, fiabilité et stabilité. Cette évolution entraîne des répercussions sur les moteurs industriels, qui représentent une grande partie des ressources énergétiques d'une installation automatisée et dont la défaillance peut entraîner l'arrêt d'une chaîne de production entière.

Il est donc essentiel de contrôler efficacement les moteurs, en particulier en ce qui concerne la vitesse et le couple, qui, ensemble, influent considérablement sur la plage dynamique d'un moteur. Le contrôle efficace de ces deux paramètres nécessite un haut degré de précision du système de feedback. Pour garantir cette précision, les concepteurs doivent faire un choix judicieux entre la détection de courant bas potentiel, haut potentiel ou en ligne, puis mettre en œuvre de manière optimale les circuits appropriés.

Cet article aborde brièvement ces trois options de détection de courant avant de montrer comment l'amplificateur idéal d'un capteur de courant de moteur en ligne fournit des informations réelles sur les phases du courant. Il montre ensuite comment utiliser un amplificateur de détection de courant (CSA) bidirectionnel de Maxim Integrated avec réjection de la modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour configurer un système de moteur triphasé afin de permettre un fonctionnement plus efficace.

Détection de courant bas potentiel, haut potentiel ou en ligne ?

Les trois options de détection - bas potentiel, haut potentiel ou en ligne - varient considérablement dans leur mise en œuvre (Figure 1). La conception du capteur de courant moteur bas potentiel utilise une résistance de détection et un amplificateur proche de la masse (en bas à gauche).

Figure 1 : Options de circuit bas potentiel, haut potentiel et en ligne pour la détection de la vitesse et du couple du moteur. (Source de l'image : Analog Devices)

Parmi les trois options, le circuit de détection de courant bas potentiel constitue la solution la plus intuitive et la plus simple. Il est adapté aux applications grand public pour lesquelles la rentabilité figure souvent parmi les principales exigences de conception.

Le circuit de détection bas potentiel place l'amplificateur près de la masse, capturant successivement le courant de chaque phase. Le circuit comporte des amplificateurs opérationnels polyvalents et peu coûteux à la base des piles de FET (transistors à effet de champ) d'attaque de grille et une résistance de détection (R_S) dont la tension de mode commun est proche de la masse (Figure 2). Pour un courant de charge atteignant 100 ampères (A), la faible résistance de détection (R_S) est généralement une résistance de piste de circuit imprimé.

Figure 2 : Ce circuit de détection du courant bas potentiel du moteur CA utilise un amplificateur CMOS où la tension de mode commun atteint l'alimentation négative de l'amplificateur. (Source de l'image : Bonnie Baker)

Dans la Figure 2, le courant de charge montre la conduction à travers la pile de FET d'un moteur CA. Ce circuit nécessite que la plage d'entrée de mode commun de l'amplificateur s'étende à la masse. Le circuit amplificateur augmente la tension aux bornes de R_S, ce qui fournit une lecture de tension de l'ampleur du courant de charge (I_L). Cette tension est envoyée à l'entrée non inverseuse d'un amplificateur dont le gain est égal à (1 + R_F / R_G), soit ~50 volts/volt.

Le dispositif AD8691 d'Analog Devices peut être utilisé comme amplificateur. Il s'agit d'un amplificateur opérationnel générique à faible coût dont la bande passante correspond à 10 mégahertz (MHz). Ses transistors d'entrée CMOS fournissent un courant de polarisation d'entrée typique de 0,2 picoampère (pA) et une plage de mode commun de -0,3 volt en dessous de la tension d'alimentation négative.

La sortie de l'amplificateur est envoyée à un convertisseur analogique-numérique (CAN). Un microcontrôleur ou un autre processeur peut utiliser le signal numérisé pour déterminer l'état du moteur.

Exigences relatives aux cartes à circuit imprimé

La simplicité de conception du circuit de détection de courant bas potentiel peut être trompeuse. En utilisant la carte à circuit imprimé pour créer R_S, il est facile de générer des erreurs de mesure en augmentant involontairement la valeur de la résistance de détection. Pour garantir la précision de la valeur R_S, il doit exister une connexion directe entre la borne supérieure ou positive de R_S et la borne non inverseuse de l'amplificateur opérationnel. En outre, la borne inférieure (négative) de R_S doit disposer d'une connexion directe à la terre. Cette deuxième exigence de conception de la carte à circuit imprimé assure une connexion directe entre la borne négative de la résistance de détection et le bas de la résistance de gain (R_G) de l'amplificateur.

Notez que le courant circule dans le plan de masse de la carte à circuit imprimé, créant une différence de tension à travers celui-ci. Dans des circonstances normales, ce n'est pas un problème. Avec le circuit du capteur bas potentiel, l'utilisation de la faible résistance R_S rend le circuit extrêmement sensible aux chutes de tension à la masse sur la carte à circuit imprimé.

Le coefficient de température de résistance du cuivre est d'environ 0,4 %/°C, ce qui permet à la valeur de R_s de fluctuer fortement en fonction de la température. La résistance de la carte à circuit imprimé crée une erreur en fonction de la température dans les systèmes qui connaissent de grandes variations de température, ce qui introduit un certain degré d'instabilité. Il est prudent d'éviter les longues pistes pour minimiser les erreurs R_S. En outre, l'utilisation d'une résistance de détection dans la conception du capteur bas potentiel entraîne des chutes de tension dynamiques indésirables, ce qui provoque des problèmes de bruit d'interférence électromagnétique (EMI).

Détection de courant haut potentiel

Le capteur de courant du moteur haut potentiel minimise l'impact de la tension CA dynamique de la résistance avec des interférences EMI minimales. Cependant, cette conception nécessite un amplificateur robuste capable de gérer des tensions élevées.

Le circuit de détection de courant bas potentiel utilise trois amplificateurs opérationnels simples pour détecter les courants de chaque phase du moteur CA. Cette approche est sujette aux erreurs dues aux résistances parasites des cartes à circuit imprimé, ainsi qu'à l'erreur de mesure proche de la masse, également appelée erreur de masse de la tension R_S.

Les circuits de capteurs de courant haut potentiel utilisent un amplificateur différentiel dont la tension de mode commun est proche de l'alimentation. Pour contrer certaines des limitations du circuit du capteur de courant bas potentiel, cette configuration n'est pas sensible aux perturbations de la masse et est capable de détecter un court-circuit de la charge (Figure 3).

Figure 3 : Un circuit de détection de courant haut potentiel d'un moteur CA utilise un amplificateur avec deux étages d'entrée PNP où la tension de mode commun dépasse l'alimentation positive et négative de l'amplificateur. (Source de l'image : Bonnie Baker)

L'amplificateur opérationnel doit disposer d'une entrée rail-à-rail et d'une tension de mode commun importante aux bornes R_S, égale ou supérieure à V_SUPPLY. Il s'agit d'un défi car l'amplificateur de détection a besoin de sources de tension étendues au moins égales à V_SUPPLY. Par conséquent, dans une configuration de détection haut potentiel, le mode commun d'entrée de l'amplificateur doit être aussi élevé que la tension d'alimentation, V_SUPPLY.

Pour cette application, les concepteurs peuvent se tourner vers le dispositif ADA4099-1 d'Analog Devices. C'est un amplificateur opérationnel à entrée/sortie rail-à-rail simple, robuste et de précision, dont les entrées fonctionnent de V- à V+ et au-delà. Dans la fiche technique, cette dernière fonction est appelée « Over-The-Top ».

Le dispositif se caractérise par une tension de décalage < 40 microvolts (μV), un courant de polarisation d'entrée (IB) < 10 nanoampères (nA) et un fonctionnement sur des alimentations simples ou divisées allant de 3,15 à 50 volts. L'ADA4099-1 consomme 1,5 milliampère (mA) de courant de repos par canal.

Adaptation des résistances

Avec le circuit de détection de courant haut potentiel de la Figure 3, la précision des résistances externes (R₁, R₂, R₃ et R₄) détermine directement la précision de la mesure. L'équation 1 est utilisée pour calculer le gain différentiel de la Figure 3 :

 Équation 1

L'équation 2 est utilisée pour calculer l'erreur de gain en mode commun de la Figure 3 :

 Équation 2

L'équation 3 est utilisée pour calculer la tension de sortie de la Figure 3 :

 Équation 3

Si R₁ à R₄ sont des résistances de 1 %, la tolérance la plus défavorable des erreurs globales est supérieure à 5 %. Cette erreur de 5 % nécessite l'utilisation de résistances coûteuses à tolérance plus stricte. Le principal inconvénient de cette approche réside dans son coût supplémentaire dû à la nécessité d'utiliser des résistances de précision avec une tolérance stricte pour les valeurs du rapport de R₄/R₃ et R₂/R₁ afin de pallier la sensibilité aux erreurs due à des tensions de mode commun plus élevées.

Détection du courant en ligne

Bien que les autres solutions soient efficaces, l'approche à privilégier est celle du capteur de courant de moteur en ligne (ou à enroulement direct). Cette approche fournit des informations réelles sur les phases du courant, ce qui permet des temps de stabilisation rapides et une meilleure réjection des transitoires en mode commun. L'amplificateur idéal pour les mesures en ligne est un amplificateur de détection de courant (CSA) bidirectionnel avec réjection PWM pour relever ces défis. Cet amplificateur se caractérise par un temps de stabilisation rapide et une bande passante élevée. Par ailleurs, il rejette les transitoires en mode commun.

Pour assurer un fonctionnement efficace du moteur, le processeur du système dispose des données de courant pour les trois phases du moteur à un moment donné (Figure 4).

Figure 4 : Dans le cas d'une détection de courant en ligne pour la commande d'un moteur, le processeur dispose des données de courant pour les trois phases du moteur à un moment donné. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans la Figure 4, le microcontrôleur échantillonne simultanément les trois phases du moteur avec l'amplificateur CSA bidirectionnel MAX40056 d'Analog Devices, préservant les relations de phase entre l'excitation de chaque phase. Un amplificateur en ligne idéal amplifie le signal différentiel de chaque phase du moteur tout en rejetant les transitoires en mode commun de la PWM. La forte réjection PWM favorise un temps de stabilisation plus rapide et une plus grande précision, et permet au concepteur de minimiser le rapport cyclique PWM, en le gardant proche de 0 %.

Le MAX40056 est un amplificateur CSA bidirectionnel à alimentation simple, de haute précision, avec une plage d'entrée de mode commun élevée s'étendant de -0,1 volt à +65 volts. L'étage d'entrée assure une protection contre les pics de tension et les retours inductifs de -5 volts à +70 volts. La tension de décalage d'entrée de ±5 μV (typ.) et l'erreur de gain de 0,05 % (typ.) contribuent à garantir de faibles erreurs système (Figure 5).

Figure 5 : La capacité de l'amplificateur CSA MAX40056 à supprimer les perturbations grâce à un circuit de réjection PWM rapide le rend bien adapté à la surveillance du courant en phase des charges inductives, telles que les enroulements de moteur. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans la Figure 5, l'étage d'entrée est spécifiquement conçu pour supprimer la perturbation des signaux PWM rapides, qui sont courants dans les applications de commande de moteurs. Le MAX40056 est donc bien adapté à la surveillance du courant en phase des charges inductives, telles que les enroulements de moteur et les solénoïdes qui sont entraînés par des signaux PWM. Le MAX40056 fonctionne sur toute la plage de températures comprise entre -40°C et +125°C et à partir d'une tension d'alimentation de +2,7 volts à +5,5 volts.

Le MAX40056 permet une récupération des fronts PWM de 500 nanosecondes (ns) à partir de 500 volts/microseconde (µs) et des fronts PWM plus rapides. Les données de référence du MAX40056 et de ses concurrents illustrent une différence significative dans l'immunité en mode commun de la PWM (Figure 6).

Figure 6 : Une comparaison avec la concurrence à l'aide d'une réjection de front PWM d'un cycle PWM de 50 volts montre que le MAX40056 présente un net avantage en ce qui concerne l'immunité transitoire en mode commun de la PWM. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans la Figure 6, la sortie analogique de l'amplificateur CSA MAX40056 présente une légère inflexion et se rétablit en 500 ns, alors que le dispositif concurrent a besoin d'environ 2 µs pour y parvenir. L'entrée de réjection PWM brevetée de l'amplificateur CSA supprime les transitoires et fournit une mesure de signal différentiel propre.

Conclusion

L'industrie 4.0 et l'IIoT mettent tous deux l'accent sur des niveaux plus élevés de rendement et de fiabilité de la production qui doivent atteindre le niveau des moteurs individuels. Il peut être compliqué de trouver des conceptions de circuit appropriées pour construire un système d'entraînement de moteur CA pour la détection de la vitesse et du couple afin d'assurer stabilité, rendement énergétique et fiabilité.

Comme indiqué, un capteur de courant de moteur en ligne avec un amplificateur idéal fournit des informations réelles sur les phases du courant. Avec cette approche, et en utilisant l'amplificateur CSA bidirectionnel MAX40056 avec réjection PWM, les concepteurs peuvent configurer un système de moteur triphasé qui mesure avec précision le couple et la vitesse dans un système de moteur CA triphasé, assurant ainsi le rendement, la fiabilité et la stabilité du moteur.