Un moteur à courant continu est une machine électrique qui convertit la puissance électrique fournie par le secteur en mouvement mécanique. Il existe une large diversité de moteurs correspondant à différentes applications et différents besoins de puissance, depuis les appareils minuscules, d'à peine quelques millimètres de diamètre utilisés dans les équipements médicaux, jusqu'aux modèles personnalisés générant de milliers de chevaux-vapeur.
Les deux types les plus répandus de moteurs à courant continu sont les moteurs à balais et les moteurs CC sans balais (brushless DC, ou BLDC). Bien qu'ils reposent sur les mêmes principes physiques, leur structure, leurs performances et leurs moyens de contrôle sont très différents.
Lesquels conviendront le mieux à votre application ? Eh bien, comme beaucoup de choses dans la vie, la réponse est : « Ça dépend ». En effet, chaque type a ses avantages et ses inconvénients. Cet article se penchera sur les deux technologies de moteur à courant continu et tentera d'éclaircir quelque peu ce sujet complexe.
Structure et fonctionnement des moteurs CC à balais
Inventés au XIXe siècle, les moteurs CC à balais figurent parmi les moteurs les plus simples. Ils furent le premier type de moteur à se répandre couramment, puisqu'ils pouvaient être alimentés par les premiers systèmes de distribution d'électricité à courant continu des réseaux d'éclairage.
Figure 1 : moteur CC à balais. (Source : Oriental Motor)
Comme le montre la figure 1, un moteur CC à balais type est composé d'une armature rotative et d'un stator fixe.
L'armature (également appelée rotor) contient un ou plusieurs bobinages de fil isolé enroulés autour d'un cœur en fer doux. Ces bobinages forment une ou plusieurs bobines et sont connectés électriquement au commutateur, qui est un cylindre composé de plusieurs segments de contacts en métal disposés autour de l'arbre d'armature. Le stator englobe le rotor et contient soit des aimants permanents soit des électroaimants pour générer un champ magnétique. Les balais sont des contacts électriques fabriqués dans un matériau tendre, comme le carbone, maintenu en contact avec les segments du commutateur à l'aide de ressorts à mesure que l'arbre tourne.
Lorsqu'une source d'alimentation CC est connectée aux balais, les bobines de l'armature sont mises sous tension. Elles transforment alors l'armature en électroaimant et la font tourner de façon que ses pôles nord et sud s'alignent respectivement sur les pôles sud et nord du stator. À mesure que le commutateur tourne, son mouvement entraîne l'inversion de la polarité du courant dans la bobine de l'armature, ainsi que la direction de son champ magnétique. L'armature tourne pour atteindre son nouvel alignement, le courant s'inverse à nouveau et l'armature continue de tourner.
Cette méthode d'inversion du courant s'appelle la commutation mécanique : la rotation mécanique de l'arbre fournit le retour nécessaire pour commuter la polarité du courant.
En faisant varier la disposition des bobinages, il a été possible de développer plusieurs modèles de moteurs CC à balais présentant différentes caractéristiques de performances. Il en existe cinq types fondamentaux. Les quatre premiers utilisent des bobines à la fois dans le stator et dans le rotor (armature), et utilisent exclusivement des électroaimants.
Dans le cas d'un moteur CC à enroulement dérivé, les bobinages de champ du rotor et du stator sont connectés en parallèle. Ce moteur fonctionne à vitesse constante quelle que soit la charge. Cette fonction autorégulatrice fait qu'il est largement utilisé dans les applications industrielles à vitesse constante.
Dans le cas d'un moteur CC à excitation série, les deux bobines sont enroulées en série. La vitesse varie avec la charge et augmente à mesure que celle-ci décroît, mais le couple commence à un niveau très élevé, si bien que ce type de moteur est très largement utilisé dans les applications à courte durée comme les démarreurs automobiles.
Le moteur CC à excitation composée est une combinaison de moteur à enroulement dérivé et de moteur à excitation série, et partage les caractéristiques des deux. On l'utilise en général dans des situations de démarrage contraignantes et lorsqu'une vitesse constante est requise.
Un moteur CC à excitation indépendante possède une alimentation distincte pour le rotor et le stator, ce qui permet d'obtenir un courant de champ élevé pour le stator et une tension d'armature suffisante pour produire le courant de couple requis pour le rotor. Ce type de moteur est utilisé dans des situations nécessitant un couple élevé à basse vitesse.
Un moteur CC à balais et aimants permanents contient des aimants permanents dans le stator, ce qui évite de recourir à un courant de champ externe. Cette conception est plus petite, plus légère et plus économe en énergie que les autres types de moteur CC à balais. On l'utilise abondamment dans des applications à faible puissance, jusqu'à environ 2 CV.
Commande de moteur à CC à balais
La commutation étant effectuée mécaniquement, la commande d'un moteur CC à balais est simple à comprendre. Un moteur à vitesse fixe ne nécessite qu'une tension CC et un commutateur marche/arrêt. En faisant varier la tension, on modifie la vitesse sur une plage plus large.
Pour les applications nécessitant une commande plus évoluée, il est possible d'utiliser une topologie de circuit répandue telle que le pont en H de la figure 2. Si l'on active simultanément les transistors Q1 et Q4 ou Q3 et Q2, le courant traversant le moteur BDC circule dans un sens ou dans l'autre, ce qui permet d'obtenir un mouvement bidirectionnel.
Figure 2 : commande de moteur CC bidirectionnel à balais utilisant un pont en H. (Source : Microchip)
Pour contrôler la vitesse, on utilise un signal modulé par largeur d'impulsion (pulse-width modulated, PWM) qui sert à générer une tension moyenne. Le bobinage du moteur agit comme un filtre passe-bas, ce qui permet à une forme d'onde PWM haute fréquence de générer un courant stable dans ce bobinage. Pour régler la vitesse plus précisément, il est possible d'ajouter un capteur de vitesse, par exemple un capteur à effet Hall ou un codeur optique, pour former un système de commande en boucle fermée.
Récapitulatif des moteurs CC à balais
Les moteurs CC à balais sont peu coûteux, fiables et présentent un rapport couple/inertie élevé. Ils nécessitent peu de composants externes, voire aucun, et fonctionnent donc bien dans des conditions contraignantes.
En revanche, leurs balais s'usent au fil du temps en produisant de la poussière. Ce type de moteur exige donc un entretien régulier pour nettoyer ou remplacer les balais. De même, ils offrent une faible capacité de dissipation thermique en raison des limites du rotor, d'une forte inertie de ce dernier, d'une vitesse maximale faible et d'interférences électromagnétiques (IEM) dues aux arcs électriques touchant les balais.
Structure et fonctionnement des moteurs CC sans balais
Le principe de fonctionnement des moteurs CC sans balais (BLDC) est le même que celui des moteurs CC avec balais (commande de commutation utilisant le retour de position de l'arbre interne), mais leur structure est très différente.
Contrairement à ce qui se passe dans un moteur CC à balais, l'aimant permanent est monté sur le rotor du BLDC. Le stator est en acier laminé rainuré et contient les enroulements de la bobine.
Les BLDC n'utilisent pas non plus de balais en carbone, ni de commutateur mécanique. La rotation forcée du rotor s'effectue en activant successivement les bobines placées autour du stator. La commutation s'exécute à l'aide d'un contrôleur électronique complexe utilisé en conjonction avec un capteur de position du rotor (par exemple, un phototransistor à DEL, des capteurs électromagnétiques ou à effet Hall).
La structure du BLDC lui permet de présenter une moindre résistance interne et de mieux dissiper la chaleur générée dans les bobines du stator. Le rendement est ainsi meilleur, puisque la chaleur des bobines peut se dissiper plus efficacement grâce au carter du moteur stationnaire, beaucoup plus grand.
Les enroulements du stator peuvent être disposés en étoile (ou Y) ou en delta. Le laminage d'acier peut être exécuté avec ou sans rainures. Un moteur sans rainures présente une inductance plus faible. Il peut donc fonctionner plus vite et entraîner moins d'ondulations à plus basse vitesse. Son inconvénient majeur est de coûter plus cher puisqu'il faut multiplier les enroulements pour compenser un espace d'air plus grand.
Le nombre de pôles du rotor peut varier selon l'application. Un plus grand nombre de pôles augmente le couple, mais réduit la vitesse maximale. Le matériau utilisé pour fabriquer les aimants permanents a également des conséquences sur le couple maximal, qui augmente avec la densité de flux.
Figure 3 : moteur CC sans balais (BLDC). (Source : Oriental Motor)
Commande de moteur CC sans balais
Puisque la commutation doit être exécutée électroniquement, la commande d'un BLDC est nettement plus complexe que sur les schémas simples évoqués plus hauts. On utilise des méthodes de contrôle à la fois analogiques et numériques. Le bloc de contrôle de base est semblable à celui des moteurs CC à balais, mais la commande en boucle fermée est obligatoires.
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On utilise trois principaux types d'algorithmes de contrôle pour les moteurs BLDC : commutation trapézoïdale, commutation sinusoïdale et contrôle vectoriel (ou à champ orienté). Chaque algorithme de contrôle peut être mis en œuvre de différentes façons en fonction du codage logiciel et de la conception matérielle. Chacun offre des avantages et des inconvénients spécifiques.
Figure 4 : méthodes de contrôle des moteurs CC sans balais.
La commutation trapézoïdale nécessite les circuits et les logiciels de commande les plus simples, ce qui en fait une solution idéale pour les applications d'entrée de gamme. Elle utilise un processus en six étapes utilisant le retour de position du rotor. La commutation trapézoïdale contrôle efficacement la vitesse et la puissance du moteur, mais souffre d'ondulations du couple lors de la commutation, en particulier à basse vitesse.
La commutation sans capteur (en estimant la position du rotor grâce à la mesure de la force contre-électromotrice du moteur) offre des performances semblables à celles de la méthode à effet Hall, au prix d'une plus grande complexité de l'algorithme. Si l'on supprime les capteurs à effet Hall et leurs circuits d'interface, cette commutation sans capteur réduit les coûts de composants et d'installation et simplifie la conception du système.
La commutation sinusoïdale utilise la modulation de la fréquence du porteur pour piloter le moteur en contrôlant simultanément les trois courants de bobinage afin qu'ils varient de façon fluide et sinusoïdale à mesure que le moteur tourne. Cette technique permet de contrôler le moteur de façon fluide et précise en supprimant les ondulations du couple et les pics de commutation liés à la méthode trapézoïdale. Elle peut fonctionner sous forme de système en boucle ouverte, ou en boucle fermée en ajoutant un capteur de vitesse, et sert en général aux applications des performances moyennes nécessitant un contrôle à la fois de la vitesse et du couple. La méthode de commutation sinusoïdale est compliquée et nécessite pour sa mise en œuvre davantage de puissance de traitement et d'électronique de contrôle.
Le contrôle vectoriel est réservé aux applications haut de gamme en raison de la complexité de sa conception et des exigences qu'il fait peser sur le microcontrôleur. Son algorithme utilise le retour du courant de phase pour calculer les vecteurs de tension et de fréquence et faire commuter le moteur. Ce système de vecteurs offre un contrôle précis et dynamique de la vitesse et du couple et s'avère efficace sur une large plage de fonctionnement.
Il est également possible d'utiliser une technique sans capteurs : un shunt surveille le courant du moteur et l'algorithme compare les résultats à un modèle mathématique enregistré des paramètres de fonctionnement du moteur. Cette méthode réduit le coût des dispositifs de retour, mais augmente sensiblement les besoins de traitement du MCU.
Comparaison des stratégies de contrôle des BLDC
Comment les différentes stratégies de contrôle se comportent-elle les unes par rapport aux autres ? Comme vous pouvez vous y attendre, la méthode trapézoïdale, très simple, offre le moins bon contrôle du couple, mais elle n'exige pas trop du microcontrôleur ou du dispositif de contrôle. À l'autre extrémité, la méthode de contrôle vectoriel (également appelée contrôle à champ orienté (field-oriented control, ou FOC) contrôle parfaitement la vitesse et le couple, mais pèse lourdement sur le microcontrôleur.
Résumé des BLDC
Dépourvus de commutateur mécanique ou de balais sensibles à l'usure, les moteurs CC sans balais exigent peu d'entretien et ne provoquent pas d'étincelles. Ils présentent également moins de friction et d'inertie, sont moins bruyants et offrent un bien meilleur ratio couple/poids (densité de puissance). Ils sont donc beaucoup plus petits que les moteurs CC à balais comparables.
Comparés aux moteurs CC à balais, les moteurs BLDC offrent un certain nombre d'avantages en termes de performances. Leur couple de démarrage est plus élevé et reste stable jusqu'à la vitesse nominale. Leur contrôle électronique en temps réel permet de régler plus précisément la vitesse, laquelle n'est pas sensible aux variations de charge. La chaleur étant produite dans le stator externe et non dans le rotor interne, ces moteurs sont plus faciles à refroidir. L'absence de balais réduit en outre le bruit électrique qu'ils génèrent et leur permet de fonctionner à des vitesses supérieures, jusqu'à 100 000 tr/m dans certains cas.
Solutions existantes de contrôle des moteurs CC
Comme nous l'avons vu, bien qu'il soit facile de fabriquer un moteur CC à balais simple, contrôler plus précisément un BDC ou contrôler un BLDC n'a rien d'évident.
Heureusement, il existe de nombreuses solutions prêtes à l'emploi qui associent des moteurs et des contrôleurs compatibles. En ce qui concerne les appareils, Arrow Electronics offre de nombreux contrôleurs de moteurs fabriqués par de grandes marques et destinés aux moteurs CC avec ou sans balais. En outre, le contrôle des moteurs représentant un énorme marché, de nombreux fournisseurs proposent des kits de développement, des modèles de référence et des bibliothèques de logiciels permettant de contrôler les moteurs CC.
Conclusion : quel est le modèle qui vous convient le mieux
Au moment de choisir la technologie de moteur CC la mieux adaptée à votre application, vous ne manquez pas d'options.
Votre application est un dispositif médical à espace restreint pour lequel l'entretien est impossible ? Commencez à chercher du côté des solutions sans balai. Vous voulez surtout réduire les coûts ? Un moteur CC à aimant permanent sera peut-être l'idéal.
Vous avez besoin d'un contrôle ultra-précis ? Envisagez un BLDC, peut-être avec une stratégie de contrôle numérique. Il vous faut une solution de contrôle simple ? Regardez les options à CC avec balais.
Quels que soient vos besoins, maintenant que vous avez compris les mérites respectifs de chaque technologie, vous devriez être mieux placé pour faire le bon choix.
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