Analyse de l'estimation de position pour les moteurs à courant continu sans balais

Placer les capteurs Hall d'un moteur à courant continu sans balais en face de la roue magnétique formée par l'arbre ou l'extension du rotor peut détecter la position du rotor. Cependant, cela ne fournit que suffisamment de signaux de commutation, ce qui signifie pour un moteur triphasé sans balais six signaux par cycle électrique. Ces impulsions moins discrètes sont inadéquates pour les applications hautes performances. Les codeurs optiques et les transformateurs rotatifs peuvent offrir des signaux de position du rotor haute résolution, mais ils sont relativement coûteux et nécessitent une préparation d'installation importante. En raison des coûts et des contraintes de fabrication, ils doivent être omis dans les applications à grande échelle. De nombreuses méthodes peuvent estimer les signaux de commutation, résumées brièvement ci-dessous :

(1) Estimation à l’aide du modèle de moteur à courant continu sans balai :

En utilisant le courant et la tension externes ainsi que les paramètres du moteur tels que la résistance, l'inductance et l'inductance mutuelle, la force électromotrice induite peut être obtenue à partir du modèle d'un moteur à courant continu sans balais. L'avantage de cette méthode est l'extraction de signaux isolés puisque les entrées de courant et de tension sont des signaux intrinsèquement isolés. Les variations de la tension du bus CC peuvent être estimées à partir des paramètres du filtre du bus CC et du courant du bus CC. La sensibilité des paramètres, en particulier la résistance du stator, peut introduire des erreurs dans l'estimation de la force électromotrice induite, conduisant à des signaux de commutation imprécis vers l'onduleur.

(2) Force électromotrice induite par les bobines de détection :

L'installation de bobines de détection dans un moteur à courant continu sans balais est rentable pour obtenir des signaux de force contre-électromotrice induite. L'avantage réside dans des signaux relativement complets, une insensibilité aux paramètres et une isolation électrique. Cependant, les inconvénients incluent les processus de fabrication et le câblage supplémentaire du moteur à courant continu sans balais. Par exemple, il ne convient pas à l'entraînement des moteurs de compresseurs de réfrigérateurs en raison des exigences d'étanchéité.

(3) Utilisation de phases hors tension pour obtenir des CEM en retour :

Une méthode courante pour obtenir des informations de position consiste à surveiller la force contre-électromotrice induite de l'enroulement de phase du moteur lorsque l'enroulement de phase est hors tension. Notez qu'à un moment donné, seules deux phases du moteur à courant continu sans balais sont conductrices, laissant une phase hors tension pendant 3,331 TP3T du temps. Pendant cette période, une force contre-électromotrice induite apparaît dans les enroulements du moteur, qui peut être détectée. La polarité de la force contre-électromotrice induite détermine la polarité appropriée du courant injecté dans le moteur à courant continu sans balais. Pour éviter d'attendre que la force contre-électromotrice induite atteigne une région stable pour alimenter une phase du moteur, une valeur spéciale est obtenue à partir de la force contre-électromotrice induite, correspondant à 30° du moment de passage à zéro. La sortie de l'intégrateur correspond à 30° du passage à zéro positif, appelé seuil utilisé pour alimenter une phase.

En supposant une forme d'onde trapézoïdale de la force contre-électromotrice induite, lorsque la vitesse électrique du rotor est Wb, son pic est EP. La pente de la partie ascendante de la force contre-électromotrice induite à n'importe quelle vitesse peut être donnée par le rapport de la tension de crête à cette vitesse à l'intervalle de temps correspondant à 30° d'angle électrique.

Bien que les tensions de sortie des capteurs diffèrent, il peut être démontré que cet algorithme est également applicable aux moteurs sans balais à force contre-électromotrice sinusoïdale. Notez que la tension de sortie du capteur est constante et indépendante des paramètres du moteur sans balais, son amplitude étant égale à n'importe quelle vitesse. Le seul inconvénient possible de la tension de sortie du capteur est dû aux caractéristiques de température de l'aimant permanent du rotor, qui diminuent le flux magnétique du rotor, entraînant une diminution de la valeur maximale de la force contre-électromotrice induite. Cela peut introduire des erreurs telles que l'excitation peut ne pas se produire exactement comme nécessaire à 30° de l'angle électrique de passage à zéro. Sans mesures d'étalonnage supplémentaires, les moteurs à courant continu sans balais risquent de ne pas être utilisés de manière optimale.

(4) Troisième harmonique de la force contre-électromotrice :

Une méthode alternative consiste à détecter la 3ème harmonique de la force contre-électromotrice induite dans les enroulements du moteur et à l'utiliser pour générer des signaux de commande. Un système triphasé à quatre fils connecté en étoile permet de collecter la 3ème harmonique de la force contre-électromotrice induite et peut être mesuré à peu de frais à l'aide de quatre résistances.

(5) Méthodes de contrôle basées sur l'IA :

Les contrôleurs intelligents tels que les réseaux neuronaux ou les contrôleurs flous peuvent extraire la position du rotor ou la position de commutation à partir de variables du moteur à courant continu sans balais telles que le courant et le flux magnétique. Ils extraient simplement des informations de rétroaction à partir de variables contenant potentiellement des informations sur la position du rotor ou des conditions de commutation. Ces technologies sont adaptatives, permettant une optimisation continue grâce à un auto-apprentissage au fil du temps. Avec la vitesse croissante des processeurs actuels, la programmation de contrôleurs pour des applications pratiques devient plus réalisable. L’inconvénient majeur de ces contrôleurs est que les contrôleurs de réseaux neuronaux nécessitent un pré-apprentissage avant de fonctionner. Ils peuvent fournir des fonctionnalités d’auto-apprentissage hors ligne.

Toutes les méthodes reposant sur la force contre-électromotrice induite présentent l'inconvénient que les informations de position ne peuvent pas être obtenues à l'arrêt puisqu'il n'y a pas de force contre-électromotrice induite lorsque la vitesse est nulle. Même à très basse vitesse, la force contre-électromotrice induite peut ne pas être facilement détectée. Par conséquent, pour démarrer avec succès un moteur à courant continu sans balais à une certaine vitesse et générer de manière fiable des informations de position à cette vitesse à l'aide de méthodes de force contre-électromotrice induite, une méthode permettant de générer des signaux de commande à vitesse nulle et à proximité doit être incluse. Ainsi, un processus de démarrage est requis lorsqu'un moteur à courant continu sans balais est à l'arrêt. Ce processus peut comprendre deux étapes, détaillées ci-dessous :

Étape 1: Mettez sous tension une phase ou deux phases et le rotor peut s'aligner sur une position prédéterminée du rotor. De cette façon, la position initiale est connue et des signaux de commande de démarrage corrects peuvent être générés. Jusqu'à ce que le rotor commence à se déplacer à des vitesses inférieures, la force contre-électromotrice induite est très faible et elle ne peut pas être utilisée pour générer des impulsions de commutation jusqu'à ce que le rotor atteigne une certaine vitesse, ce qui nécessite la deuxième étape pour terminer le processus de démarrage.

Étape 2: Une fois que le rotor commence à bouger, l'enroulement de phase du stator sera alimenté avec une fréquence qui varie lentement pour maintenir le courant du stator constant. Le taux de changement de fréquence reste faible pour maintenir la synchronicité, et si la charge est connue, elle peut être contrôlée de manière appropriée. Si elle est inconnue, la fréquence du stator sera expérimentée à plusieurs reprises jusqu'à ce qu'elle atteigne une vitesse minimale à laquelle l'amplitude de la force contre-électromotrice induite est suffisante pour le contrôle. Cela constitue la deuxième étape du processus de démarrage. Le problème de cette méthode est son manque de précision, car une certaine instabilité et vibration peuvent être ressenties pendant le processus de démarrage, ce qui peut ne pas être significatif dans de nombreuses applications. Dans de nombreux cas, la première étape peut être ignorée et seule la deuxième étape est utilisée pour démarrer le moteur à courant continu sans balais.

Solutions de microcontrôleurs :

Il existe de nombreuses solutions de microcontrôleurs disponibles sur le marché pour contrôler les moteurs à courant continu sans balais, notamment des stratégies de fonctionnement avec et sans capteur, y compris le démarrage. Ils sont très populaires dans la plage basse tension de 12 à 48 V, couvrant un large éventail d'applications. Lorsque l'on envisage des entraînements de moteur sans balais pour les gammes haute tension, il faut faire preuve de prudence car le bruit des interrupteurs devient important et des méthodes de contrôle robustes sont nécessaires dans de tels environnements. Dans la gamme haute tension, les produits de contrôle conventionnels sont principalement contrôlés par des signaux numériques ou d'autres formes de contrôle par microprocesseur.

L'utilisation de la saillance des pôles pour les moteurs synchrones à aimants permanents, l'utilisation de l'injection de signal pour trouver l'inductance est une autre technique permettant de trouver la position du rotor, qui doit être discutée dans l'application des moteurs à courant continu sans balais. Il n'offre pas beaucoup d'aide pour les moteurs à courant continu sans balais, sans différence claire entre les moteurs à aimant permanent montés en surface et intérieurs. Notez que le signal