L’efficacité des moteurs électriques dans les applications industrielles dépend des circuits qui les contrôlent. Le bloc électronique de puissance est essentiel à la commande du moteur, et les capteurs qui mesurent le courant, la tension et la position sont essentiels au bloc électronique de puissance. Dans cet article d’Analog Devices, découvrez comment le retour de courant ainsi que la mesure de la tension du bus CC peuvent faire partie intégrante de votre circuit de commande de moteur électrique.
Les onduleurs de puissance et les blocs d’électronique de puissance sont au cœur de chaque entraînement de moteur. Ils fournissent l’élément de puissance contrôlable qui permet la modulation de la puissance vers le moteur afin que sa vitesse et son couple puissent être contrôlés avec précision. Le contrôle du variateur est donc essentiel pour le fonctionnement de l’ensemble du système d’entraînement.
Pour tout système de contrôle en boucle fermée, nous avons généralement besoin d’un point de consigne (par exemple, le point de fonctionnement souhaité) et d’une variable mesurée (appelée retour d’information) pour le comparer, afin que la boucle de contrôle puisse répondre à toute différence entre ces deux points. Dans les entraînements, les principales variables mesurées sont généralement le courant et la position du moteur. D’autres variables comme la tension du bus DC sont utiles au fonctionnement de la boucle de contrôle. Examinons le retour de courant et la mesure de la tension du bus continu qui se produisent dans l’étage de l’onduleur, comme l’indique à nouveau notre schéma d’architecture ci-dessous.
Figure 1 : Diagramme d’architecture du servomoteur
Ce qui est important dans la voie de rétroaction du courant, c’est que la mesure soit synchronisée avec le cycle PWM afin qu’aucune ondulation du courant de commutation à haute fréquence ne soit introduite dans la voie de rétroaction. Cela nécessite une synchronisation précise de l’échantillonnage du courant afin qu’il soit échantillonné au point médian de la forme d’onde. À ce stade de la forme d’onde, le courant instantané est égal à la moyenne du cycle PWM et la mesure n’inclut pas le courant d’ondulation de la commutation PWM.
Ceci est illustré de manière simplifiée dans la figure 2, où le point d’échantillonnage sur la forme d’onde du courant de phase est montré, ainsi que son alignement relatif sur la forme d’onde de commutation côté haut du PWM, et la période de commutation Tsw. L’impulsion PWM_SYNC indique le point auquel l’échantillonnage du courant doit être déclenché dans ce scénario (cela peut également être compris comme le point central du filtre numérique dans le cas où un échantillonnage de type ADC sigma-delta est utilisé, qui n’est pas un échantillon à point unique, voir [1]).
Figure 2 : Échantillonnage du point médian du courant du moteur
L’échantillonnage simultané d’au moins deux phases est également nécessaire, et une résolution de mesure de 14 à 16 bits est généralement suffisante, avec une latence de l’ordre de la microseconde, de sorte que la boucle de contrôle puisse répondre dans le temps de cycle du PWM (Tsw) ou dans la moitié du temps de cycle pour les boucles de contrôle plus performantes.
Il existe plusieurs façons de mettre en œuvre la mesure du courant, lesquelles sont illustrées à la figure 3 et décrites dans le tableau ci-dessous, avec quelques exemples de numéros de pièces pour mettre en œuvre le schéma pour une application de 20 A. La mesure du courant du moteur sera la plus précise au niveau des phases réelles du moteur, c’est-à-dire les lignes de sortie du convertisseur, mais cela nécessite généralement une isolation galvanique, en raison de la haute tension présente à ces nœuds. Les mesures du courant du moteur peuvent être déduites d’autres emplacements tels que la branche de l’onduleur et le rail positif ou négatif du bus CC - toutefois, ces emplacements de mesure, bien que potentiellement moins coûteux à mettre en œuvre, présentent d’autres inconvénients.
Figure 3 : Options de rétroaction actuelles
| Description | Commentaires | Exemples de pièces (20A) | |
| 1 | Résistance shunt en série + amplificateur opératif à tension de mode commun élevée (CMV) + convertisseur analogique/numérique à échantillonnage simultané (SSADC) | Généralement utilisé dans les applications < 100 V, car les amplificateurs opérationnels à CMV élevé sont généralement prévus pour cette plage. | CFN1206AFXR010 (Bourns) AD8410 (ADI) MAX11195(ADI) |
| 2 | Résistance shunt en série + ADC isolé | La meilleure solution en termes d’immunité au bruit, de taille et de performance. Sortie bitstream - nécessite un filtre numérique | CFN1206AFXR010 (Bourns) ADuM7701-8 |
| 3 | Capteur de courant isolé + amplificateur + SSADC | Bonne solution pour les niveaux de courant plus élevés où les résistances shunt deviennent trop inefficaces | HMSR 20-SMS (LEM) AD8515 (ADI) AD7380 (ADI) |
| 4 | Résistance shunt de jambe + amplificateur optique + SSADC | Solution la moins chère car aucune isolation n’est nécessaire si le contrôleur est mis à la terre par le bus DC. Moins précis que le shunt en phase | CFN1206AFXR010 (Bourns) MAX4477 (ADI) MAX11195 (ADI) |
Le retour de courant de haute fidélité et précision est important pour la boucle de contrôle globale du variateur. Il a un impact important sur la largeur de bande de contrôle globale et l’ondulation du couple. La bande passante se traduit par des performances transitoires plus rapides de la commande du moteur, ce qui peut être crucial dans des applications telles que les machines de prise et de mise en place. L’ondulation du couple se traduit par des effets tels que la qualité de l’usinage et la tolérance de la finition dans des applications comme la rectification, la coupe et le polissage.
Alors que le retour de courant est la variable de retour la plus importante entre l’onduleur et le contrôleur, la tension du bus continu peut également être précieuse en tant que variable d’anticipation du contrôle. Elle n’est pas utilisée comme quantité contrôlée, mais comme la variation de la tension du bus continu a un impact sur la dynamique de la boucle de contrôle du courant, elle peut être utilisée comme variable d’anticipation, ce qui améliore la dynamique de l’ensemble du contrôleur de courant. Le résultat final est illustré par la figure 4.
Figure 4 : Diagramme fonctionnel du contrôleur de courant
Le signal de détection de la tension du bus CC peut être dérivé directement d’un diviseur de tension à travers le bus CC si la masse du contrôleur est au négatif du bus CC, ou bien en utilisant un amplificateur isolé ou un ADC (tel que l’ADuM7701 mentionné précédemment) connecté à la sortie du diviseur de tension.
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