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On note depuis quelques années une demande accrue pour des dispositifs d’entraînement de moteurs à haute puissance. Les applications de servocommande basse tension en particulier requièrent des systèmes fiables, capables de gérer un important transfert de puissance (de quelques centaines à plusieurs milliers de watts) vers le moteur électrique. Dans ce domaine d’application, la solution phare, ce sont les moteurs triphasés sans balais. Ils doivent ce succès à leur flexibilité et à leurs excellentes capacités de positionnement et de régulation du couple appliqué à la charge mécanique.[1]

Ces applications utilisent généralement les niveaux de tension standard dans l’industrie, comme du 24 V ou du 48 V, ce qui oblige leurs étages de puissance à gérer des courants de plusieurs dizaines d’ampères. La conception de telles applications s’avère donc complexe sous différents aspects. Elle est d’autant plus complexe que les dernières tendances du marché poussent à monter des unités de commande de moteur très compactes à même le même moteur, ce qui a pour avantage de réduire la longueur de câblage, les émissions radiatives et bien sûr les coûts. Ce faisant, il convient d’accorder une attention particulière au dimensionnement des transistors finaux qui composent l’étage de puissance, ainsi qu’à leur connexion au servomoteur, car les courants élevés peuvent non seulement entraîner des pertes de puissance et des températures élevées, mais aussi solliciter de façon excessive les pistes de carte qui doivent dès lors être correctement examinées. [2].

Des techniques de commande avancées permettent de tirer le meilleur parti des moteurs triphasés sans balais. L’une d’entre elles est la commande vectorielle ou commande à flux orienté (FOC) : le champ magnétique produit par les courants qui circulent dans les enroulements du moteur est optimisé de façon dynamique pour maximiser l’efficacité de la machine électrique.

L’unité de commande de moteur STSPIN32G4 de STMicroelectronics en est la parfaite illustration. Elle combine un microcontrôleur STM32 hautes performances avec circuit d’attaque de grille en demi-pont à un circuit de gestion de l’alimentation flexible. Tandis que le microcontrôleur gère les algorithmes de contrôle moteur les plus avancés, le circuit d’attaque pilote intégralement l’étage de puissance. C’est cette même unité de commande STSPIN32G4 que l’on retrouve dans la nouvelle conception de référence EVLSERVO1 (voir figure 1) orientée vers les applications de servocommande.

Description de la conception

Comme le montre la figure 1, l’EVLSERVO1 repose sur une conception modulaire qui se compose de deux circuits imprimés superposés : la carte de commande et la carte de puissance. Cette conception soutient un moteur à CC triphasé sans balais d’une puissance de fonctionnement continue de 2 kW (avec refroidissement passif) ou 3 kW (avec ventilateur). Le système est conçu pour fonctionner dans un environnement industriel avec une tension de bus nominale jusqu’à 48 V. Sa conception offrant toutefois une marge importante, sa tension de fonctionnement peut être étendue à 75 V. Le courant de sortie maximal du moteur est de 63 A_rms ou 42 A_rms, respectivement avec ou sans ventilateur.

Carte de puissance

Comme on peut le voir sur la figure 2, la carte de puissance STL160N10F8 se compose principalement de 12 MOSFET agencés en triple demi-pont. Chaque commutateur côté haut et côté bas est constitué de deux transistors en parallèle. Le système protège le bus contre les surtensions lors du freinage régénératif. C’est une fonctionnalité essentielle, car lorsque la servocommande doit réduire la vitesse de fonctionnement, l’algorithme de commande ajuste la modulation appliquée au moteur pour inverser le transfert de puissance.

Panneau de commande

Le STSPIN32G4 est le cœur de la carte de commande, comme l’illustre la figure 2. Le dispositif exécute l’algorithme de contrôle sur le microcontrôleur hautes performances intégré STM32G431 doté d’un cœur Cortex®-M4 et cadencé à 170 MHz.

Le système fournit la détection bidirectionnelle des courants du moteur requise pour la commande vectorielle (FOC). La détection s’effectue à l’aide de la chute de tension sur les trois résistances shunt (une pour chaque phase du moteur), laquelle est amplifiée par un étage de gain reposant sur des amplificateurs opérationnels. Les signaux amplifiés sont ensuite échantillonnés et convertis par deux CAN 12 bits intégrés au STSPIN32G4[3].

Performances

Afin de vérifier la robustesse et les performances de l’EVLSERVO1, nous avons utilisé la configuration telle qu’illustrée à la figure 3.

Dans notre cas d’utilisation, l’entrée principale du système était donc connectée à une alimentation à CC capable de fournir jusqu’à 3,5 kW de puissance électrique. En revanche, les trois sorties étaient connectées à un moteur à CC triphasé sans balais (BLDC) capable de délivrer une puissance mécanique de 4,47 kW (soit 6 CV) à 3 000 tr/min. La dissipation de la puissance mécanique du moteur s’effectuait à l’aide d’un frein à hystérésis, tandis que le moteur était couplé à un joint flexible. Trois résistances de puissance ont été connectées en parallèle comme résistances de freinage avec une résistance globale d’environ 0,9 Ω, compte tenu du câblage de la carte.

Le STSPIN32G4 a été configuré avec un micrologiciel implémentant l’algorithme de contrôle vectoriel (FOC). L’EVLSERVO1 a ensuite été poussé à ses limites de fonctionnement maximales en devant gérer une puissance moyenne de près de 3  W, comme le montre l’affichage de l’alimentation dans la figure 3.

Le système a atteint un état stable après environ 15 minutes de fonctionnement à environ 25 °C. Le point le plus chaud de la carte était un MOSFET côté bas qui a atteint une température de 113 °C (voir à gauche sur la figure 4). Après ce test, le ventilateur a été mis en marche et le courant de sortie a été augmenté à 63 A_rms. Dans ces conditions, la température maximale du MOSFET le plus chaud a baissé jusqu’à 105 °C (voir à droite sur la figure 4).

La figure 5 montre un exemple d’intervention pour la résistance de freinage. Dans ce cas, le frein mécanique a été désactivé pour éviter une dissipation excessive de la puissance, sauf pour ce qui est des pertes par frottement. En revanche, l’inertie mécanique du dispositif a été exploitée pour stocker de l’énergie pendant la rotation du moteur, lequel tournait dans le sens horaire. L’ordre a ensuite été donné au variateur d’inverser brusquement la rotation de l’arbre de sorte qu’il tourne dans le sens antihoraire, et ce, afin de stimuler le freinage régénératif. Comme on peut le voir sur la figure, il y a eu une phase initiale où la tension du bus a augmenté du fait que le moteur se comportait comme un générateur et que du courant a été injecté dans les condensateurs de masse du système.

Pendant toute la phase de freinage, les résistances ont été activées plusieurs fois en mode pulsé, ce qui a permis de maintenir la tension du bus dans une plage de sécurité de 62 V à 65 V. Lors de ce test de freinage, le courant pulsé a atteint 60 A, ce qui a conduit à une puissance de crête d’environ 3,4 kW et une puissance moyenne de 148 W. Pendant la phase de freinage, l’EVLSERVO1 a fourni une puissance moyenne d’environ 4,7 W pour charger les condensateurs de masse à l’intérieur de l’équipement. Ensuite, le sens de rotation du moteur a été inversé pour tourner dans le sens antihoraire. La puissance de l’alimentation a progressivement été augmentée jusqu’à 400 W pour que le moteur atteigne la vitesse de rotation escomptée.

Conclusion

Les applications de servocommande basse tension nécessitent des systèmes de commande de moteur fiables et efficaces. Le facteur de forme réduit de l’EVLSERVO1 permet de placer l’électronique à proximité du moteur, ce qui convient particulièrement bien pour les applications de servocommande. Plusieurs protections sont disponibles, notamment des circuits dédiés pour gérer les éventuelles surtensions du bus dues au freinage régénératif. Elles garantissent ainsi une conception robuste en cas de défaillance.

Références

[1] Servo motor driver design for high performance applications, IEEE paper

[2] TA0361 - Thermally aware high-power inverter board for battery-powered applications, Technical Article

[3] AN5397 - Current Sensing in motion control applications, Application Note

[4] AN4694 - EMC design guides for motor control applications, Application Note

[5] Design rules for paralleling of Silicon Carbide Power MOSFETs, Conference paper

[6] Why Do Passive Oscilloscope Probes Have So Many Ground Connection Options?

À propos des auteurs :

Enrico Poli est titulaire d’un Master of Science génie électronique obtenu à l’École polytechnique de Milan (Italie). En activité depuis 2006, il travaille d’abord comme ingénieur d’application chez Dora SpA avant de rejoindre STMicroelectronics, où, fort de son expertise en commande de moteurs électriques pas-à-pas, à balais et sans balais, il contribue au développement de produits et de solutions innovants. Il occupe à présent le poste de responsable d’application au sein de la division Produits spécifiques où il est chargé de superviser les solutions de commande de moteurs automobiles et industriels.

Prospero Lombardi est lui aussi diplômé de l’École polytechnique de Milan (Italie), où il décroche d’abord un Master of Science génie électronique en 2013, puis un doctorat en technologies de l’information en 2017. Il travaille aujourd’hui chez STMicroelectronics comme ingénieur d’application spécialisé dans la commande de moteurs électriques basse tension. Ses activités portent principalement sur la validation de nouveaux produits et le développement de leurs outils de démonstration.