Commutation en 6 étapes dans les moteurs BLDC : ce qui importe réellement dans un entraînement réel

La commutation en six étapes n'a rien d'extraordinaire, mais elle permet de déplacer beaucoup de produits. Si vous maîtrisez le tableau de commutation, la détection et le timing, vous pouvez généralement expédier vos produits. Si vous échouez sur l'un de ces points, aucune théorie ne pourra corriger le bruit, les étapes manquées ou les réinitialisations aléatoires sur le banc d'essai.

Pourquoi les ingénieurs continuent-ils à choisir la méthode en 6 étapes alors qu'ils savent que la FOC existe ?

Les manuels scolaires et les présentations des fournisseurs continuent de présenter le contrôle orienté champ comme l'état final. Puis, vous vous penchez sur un appareil électroménager, un outil électrique, un ventilateur, une pompe ou un robot bon marché et vous voyez un simple pont triphasé, un petit microcontrôleur, trois lignes Hall et une table à 6 étapes gravée dans la mémoire flash. La commande trapézoïdale (commutation par blocs de 120°, 6 étapes) reste d'actualité car elle offre plusieurs avantages : vitesse maximale élevée, faible charge de calcul et gestion simple des défauts.

Les notes de Microchip et Onsemi disent toutes deux la même chose dans un langage légèrement différent : six positions de champ statorique discrètes par cycle électrique, seulement deux phases entraînées à la fois, une phase flottante, et l'aimant du rotor ne cesse de poursuivre ce champ. TI ajoute ensuite un détail évident mais souvent ignoré : cette méthode permet généralement d'obtenir la vitesse maximale la plus élevée et une complexité très faible du circuit d'attaque de grille, au prix d'une ondulation de couple et d'un bruit acoustique.

Si vous lisez ceci, vous savez probablement déjà tout cela. L'intérêt réside désormais dans les détails que vous ne trouvez généralement pas dans les documents d'introduction au BLDC : comment créer et déboguer la table de commutation, comment choisir un schéma PWM adapté à votre matériel et comment éviter les dysfonctionnements du système sans capteur à 6 étapes à basse vitesse.

Secteurs électriques, paires de pôles et pourquoi vos calculs d'angles continuent de vous poser problème

La documentation de Microchip explique clairement la convention : six secteurs par cycle électrique, 60 degrés électriques par secteur et un cycle électrique par paire de pôles du rotor par tour mécanique. Vous connaissez la formule, mais dans les logiciels, celle-ci a tendance à être “ à peu près correcte ”, puis à dériver.

Si le moteur possède (N_p) paires de pôles, un tour mécanique correspond à (N_p) cycles électriques. Ainsi, une transition du capteur à effet Hall tous les 60 degrés électriques correspond à tous les 360/(6Np) degrés mécaniques. Facile sur le papier. Dans le micrologiciel, c'est là que les ingénieurs ajoutent discrètement des constantes jusqu'à ce que l'estimation de la vitesse corresponde au tachymètre.

La logique en six étapes ne tient pas compte de l'angle absolu en degrés. Elle nécessite uniquement un indice de secteur compris entre 1 et 6 (ou entre 0 et 5) et une direction de rotation souhaitée. C'est là l'avantage des méthodes rudimentaires : pas de transformation de Park, juste “ nous sommes dans le secteur 3, nous voulons avancer, donc nous alimentons ces deux phases dans cette polarité et laissons la troisième phase à haute impédance ”. Le bloc de contrôle moteur de MathWorks formalise essentiellement cela en un bloc qui mappe l'état Hall au secteur, puis aux états de commutation, avec un angle de couple cible d'environ 90° ± 30°.

Si vous considérez l'index sectoriel comme l'état central et que vous laissez tout le reste en découler, votre code sera souvent plus simple que si vous continuez à transporter des angles.

Un tableau de commutation pratique en 6 étapes que vous pouvez réellement coder

Chaque note d'application du fournisseur comporte une version d'un tableau en six étapes. La note de commutation basée sur Hall de TI montre clairement le schéma : trois signaux Hall numériques, six états valides, un mappage de cet état vers les polarités de phase et une phase laissée flottante. MathWorks montre ensuite presque le même mappage, mais en termes de commandes de porte AA′, BB′, CC′.

Voici une version compacte que vous pouvez directement intégrer dans une table de correspondance. Elle suppose que les phases sont nommées U, V, W et les halls A, B, C. Le mappage correspond à un sens de rotation ; inverser l'ordre des étapes dans le micrologiciel inverse le sens.

Deux remarques mineures mais importantes découlent de ce tableau.

Tout d'abord, les codes Hall invalides (000 ou 111, ou tout autre motif ne figurant pas dans le tableau si votre câblage est inhabituel) doivent être traités comme des défauts ou des états “ sans commutation ”. TI recommande explicitement d'utiliser les états Hall comme index dans un tableau de recherche logiciel et de traiter les valeurs inattendues comme des conditions d'erreur, et non comme des tentatives de commande “ au mieux ”. Permettre à des motifs aléatoires d'être mappés à des états de porte arbitraires est un moyen subtil de détruire les MOSFET.

Deuxièmement, le tableau suppose un alignement particulier entre la position mécanique du rotor et les transitions Hall. Si vos capteurs Hall sont câblés différemment ou si l'aimant du rotor est collé dans une orientation différente de celle que vous aviez prévue, la séquence d'états tournera ou s'inversera. Vous devrez alors soit recâbler les phases, soit remapper les lignes Hall, soit faire pivoter le tableau du micrologiciel. C'est là que de nombreuses conceptions passent un après-midi.

Utilisation du tableau comme micrologiciel, et pas seulement comme dessin

L'avantage d'une table à 6 étapes est qu'elle peut piloter à la fois l'étage de puissance et la logique de commande. Les bits Hall bruts forment un index à 3 bits. Cet index vous donne trois informations à la fois : quelle grille haute côté PWM, quelle grille basse côté PWM ou clamp, et quelle phase est haute impédance pour la mesure du BEMF potentiel dans une conception sans capteur.

Il est tentant de n'encoder que la phase haute et de déduire le reste. Résistez à cette tentation. L'ajout du motif de porte complet dans le tableau à chaque étape facilite considérablement le débogage : vous pouvez imprimer ou enregistrer le motif complet et le comparer aux formes d'onde attendues à partir des schémas du fournisseur. L'exemple de MathWorks présente explicitement les bits de séquence de commutation par secteur ; copier ce motif dans une structure C ou une table de correspondance (LUT) est une opération qui présente très peu de risques.

Une fois le tableau en place, la plupart des codes de contrôle se réduisent à trois opérations : décoder Hall vers le secteur, choisir la ligne pour la direction, appliquer le rapport cyclique PWM aux branches actives. Toute la “ théorie de contrôle ” se situe à un niveau supérieur, déterminant quel doit être le rapport cyclique pour atteindre les objectifs de vitesse ou de courant.

Schémas PWM pour 6 étapes : choisir le compromis le moins mauvais

La documentation de Microchip sur le contrôle des moteurs résume trois schémas PWM très courants pour la commutation en six étapes. Le texte ressemble à du marketing, mais les compromis sont réels :

Un schéma commande simultanément le côté haut d'une phase active et le côté bas de l'autre, avec une activation/désactivation fixe sur les branches opposées. Il est simple, présente une faible perte de commutation et ne nécessite pas de temps mort entre les dispositifs complémentaires, mais il a tendance à produire une ondulation de courant élevée.

Un autre système utilise une modulation d'impulsions en largeur (PWM) complémentaire sur une phase active tout en maintenant le côté bas de l'autre phase entièrement activé. Cela permet de maintenir une faible perte de commutation sur une branche, mais vous devez désormais gérer le temps mort et traiter des formes d'onde de courant plus complexes.

Le troisième schéma pilote les deux phases actives avec une modulation d'impulsions en largeur (PWM) complémentaire. Cela réduit l'ondulation du courant et peut améliorer la fluidité du couple, mais au prix d'une perte de commutation globale plus élevée et d'une gestion plus stricte du temps mort.

Renesas ajoute une variante qu'ils appellent “ PWM équilibré ”, dans laquelle les branches positive et négative d'une phase donnée se partagent la tâche de découpage dans chaque période de conduction, ce qui égalise la contrainte de commutation et réduit l'ondulation de couple. L'idée est simple : si un dispositif commute beaucoup plus que son partenaire pendant la durée de vie mécanique du produit, ce dispositif vieillit plus rapidement. Les schémas équilibrés visent à répartir la contrainte de manière plus uniforme.

Dans la pratique, sur un variateur de ventilateur à faible puissance, le premier schéma est souvent largement suffisant. Sur un outil électrique à courant plus élevé ou une pompe automobile, le troisième schéma, ou schéma équilibré, a tendance à mieux fonctionner, et la complexité du temps mort est faible par rapport au coût des problèmes d'ondulation audible du courant ou d'EMI.

6 étapes avec capteur : câblage Hall, calibrage et direction

La plupart des conceptions pratiques en 6 étapes commencent encore par des capteurs à effet Hall. TI, NXP, Microchip, NXP à nouveau ; tous présentent le même archétype : trois verrous numériques à effet Hall espacés de 120 degrés électriques (ou espacés mécaniquement en conséquence), alimentant trois GPIO.

Les problèmes intéressants ne concernent pas les dispositifs Hall eux-mêmes, mais plutôt le câblage et l'étalonnage :

Tout d'abord, les trois fils de phase du moteur et les trois sorties Hall peuvent être câblés selon six permutations chacun. Monolithic Power Systems présente même un tableau clair des six configurations possibles des fils de phase du moteur (A-B-C, C-A-B, B-C-A, etc.). Combinez cela avec des brochages de connecteurs Hall arbitraires et vous obtenez un casse-tête où le logiciel voit un modèle à six états valide, mais où l'ordre dans lequel ces états apparaissent autour du cycle électrique peut ne pas correspondre à votre tableau “ idéal ”.

Deuxièmement, pour obtenir un couple propre, vous voulez que les transitions Hall se produisent environ 30 degrés électriques avant ou après l'instant de commutation idéal, en fonction de l'avance de phase que vous avez choisie. MathWorks suggère explicitement une procédure de “ calibrage de la séquence du capteur Hall ” pour découvrir la séquence réelle et l'aligner avec le modèle de commutation. En laboratoire, cela signifie généralement faire tourner lentement le moteur à l'aide d'un dispositif de fixation ou d'un autre moteur, enregistrer les états Hall et les tensions de phase, et construire la séquence réelle à partir des mesures plutôt que d'hypothèses.

La direction est principalement une question de comptabilité. Si le moteur tourne dans le mauvais sens, vous pouvez permuter deux phases, inverser le drapeau de direction dans le micrologiciel ou inverser l'ordre dans lequel vous parcourez les six étapes. Permuter deux phases et laisser le câblage Hall tel quel est la solution matérielle instinctive ; inverser le tableau est la solution micrologicielle la moins risquée.

6 étapes sans capteur : détection BEMF, suppression et falaise à faible vitesse

Les notes des fournisseurs TI, ST et Renesas présentent toutes le même schéma à 6 étapes sans capteur : la phase non entraînée transporte une tension induite (force contre-électromotrice), le contrôleur compare cette tension à une référence (souvent la moitié du bus CC) et le passage par zéro marque le moment opportun pour la commutation.

Dans le matériel réel, quelques détails déterminent s'il fonctionne ou s'il se contente de bourdonner :

À chaque commutation, la bobine précédemment conductrice a besoin de temps pour se démagnétiser. Pendant cet intervalle de démagnétisation, la phase “ flottante ” n'est pas vraiment flottante ; la tension aux bornes oscille car le courant dans les autres phases change. La note d'application de ST montre comment le côté bas de l'enveloppe de tension augmente lorsque la polarité du BEMF s'inverse, et pourquoi un échantillonnage trop précoce conduit à une détection incorrecte du passage à zéro. Le temps de suppression après chaque commutation n'est pas superflu ; il est essentiel.

Le PWM complique encore davantage les choses. Si vous détectez une force contre-électromotrice (BEMF) pendant le temps d'arrêt côté bas (véritable haute impédance sur la borne), votre fenêtre d'échantillonnage effective diminue avec le rapport cyclique. Certaines conceptions détectent plutôt pendant le temps de fonctionnement en utilisant une référence à la moitié du bus CC, comme le note ST, ce qui échange la complexité du circuit analogique contre une fenêtre de détection plus large à des rapports cycliques élevés.

Ensuite, il y a le problème de la faible vitesse. Pas de rotation, pas de force contre-électromotrice. Les diapositives de formation TI l'expliquent clairement : les méthodes à six étapes sans capteur ne fonctionnent pas lorsque le couple est nécessaire à une vitesse nulle ou proche de zéro. Les stratégies de démarrage deviennent un sous-système distinct : aligner le rotor en forçant un champ statique, démarrer à l'aveugle avec une rampe en boucle ouverte ou injecter brièvement des impulsions à haute fréquence pour déduire la position initiale. Vous ne montrerez peut-être jamais cette logique dans un schéma fonctionnel, mais c'est généralement ce qui fait la différence entre un “ démarrage fiable ” et un “ démarrage parfois saccadé ”.”

Boucles de vitesse et de courant au-dessus de 6 étapes

Le système à six étapes définit uniquement quels transistors sont activés. Il ne se soucie pas de savoir si le moteur tourne à 300 tr/min ou à 30 000 tr/min. Ce sont les boucles de contrôle supérieures qui s'en chargent.

Le cas le plus simple est le contrôle du cycle de service en boucle ouverte : vous considérez le cycle de service comme une approximation grossière du couple et acceptez la vitesse autorisée par la charge et l'alimentation. Pour les ventilateurs et certaines pompes, cela suffit.

Tout ce qui nécessite une vitesse ou un couple régulé ajoute au moins une boucle de rétroaction. Un schéma courant dans les notes d'application consiste en une boucle de vitesse externe (régulateur PI se fermant sur la vitesse mesurée à partir des fronts Hall) qui met à jour une référence de couple ou de service, et une boucle de courant interne ou un système de protection qui maintient le courant de phase dans les limites. La documentation de Microchip sur le contrôle des moteurs décrit les approches en boucle ouverte et en boucle fermée et inclut une prise en charge matérielle telle que la limitation de courant cycle par cycle dans le module PWM.

Un contrôle strict du courant n'est pas obligatoire pour tous les entraînements à six phases. L'inertie mécanique et la tolérance de charge masquent parfois de nombreuses imperfections électriques. Mais dès lors que vous passez à une densité de couple plus élevée ou que vous souhaitez obtenir une réponse transitoire prévisible, une boucle de courant de base autour du rapport cyclique PWM apparaît moins comme un luxe que comme le seul moyen de maintenir le système dans les limites thermiques et EMI.

Débogage en 6 étapes sur le banc d'essai : une routine qui détecte réellement les défauts

La plupart des problèmes en 6 étapes peuvent être résumés en une courte liste : séquence Hall incorrecte, phases mortes ou permutées, temps mort manquant, mauvais timing BEMF et problèmes d'alimentation ou de mise à la terre. Vous pouvez les voir tous si vous observez les bons signaux.

Une routine pratique ressemble à peu près à ceci, même si vous ne la notez pas. Vous commencez par tester le bus CC et l'alimentation du circuit d'attaque afin de vous assurer que l'étage de puissance fonctionne correctement. Ensuite, vous examinez les lignes Hall tout en tournant mécaniquement le rotor ; vous devriez voir six états nets, sans code illégal maintenu pendant plus de quelques microsecondes. Si vous voyez 000 ou 111 rester affichés, vous avez des problèmes de câblage ou de capteur avant même que l'algorithme de contrôle ne s'exécute.

Ensuite, vous superposez la tension de phase (ou tension phase-phase) avec les transitions Hall. Les transitions doivent se produire à des positions cohérentes par rapport à la séquence en six étapes indiquée dans les schémas du fournisseur ; si elles sont décalées d'une valeur constante, vous pouvez corriger l'angle de commutation dans le logiciel. Si le motif est pivoté ou inversé, vous corrigez le câblage ou pivotez la table de correspondance.

Pour les entraînements sans capteur, vous surveillez également la phase non entraînée et la sortie du comparateur, en vérifiant que les passages à zéro détectés correspondent aux points médians attendus des régions plates dans l'enveloppe de tension de phase, comme dans les figures ST et Renesas. Lorsque le timing dérive avec la température ou la charge, le problème se situe souvent au niveau du frontal analogique, et non du code du microcontrôleur.

Lorsque tout cela semble raisonnable, passez au courant. Mesurez l'ondulation du courant de phase pour chaque schéma PWM que vous essayez ; comparez-la avec les compromis répertoriés dans les notes de Microchip et Renesas. Vous constaterez généralement que le schéma le moins cher en termes de code n'est pas le moins cher en termes de composants magnétiques et de filtres EMI.

Où la méthode en 6 étapes s'applique-t-elle par rapport aux méthodes sinusoïdale et FOC ?

La présentation “ Démystifier la commutation BLDC ” de TI expose la hiérarchie : trapézoïdale (6 étapes) à l'extrémité simple, sinusoïdale au milieu et FOC à l'extrémité complexe. Nous pouvons reformuler la version pratique sans graphiques.

Si l'application se soucie principalement du coût, a des exigences acoustiques modestes et peut accepter une ondulation de couple, six étapes suffisent généralement. Elle l'emporte en termes de charge de calcul et souvent en termes de vitesse électrique maximale atteignable, en particulier lorsqu'elle est mise en œuvre avec des pilotes de grille et des microcontrôleurs simples. La note d'application d'Onsemi fait écho à cela : le contrôle trapézoïdal est l'une des méthodes les plus simples disponibles et offre de bonnes performances de pointe pour de nombreuses charges industrielles.

Lorsque vous avez besoin d'un bruit plus faible, d'un meilleur rendement à charge partielle ou d'un couple plus régulier, le contrôle sinusoïdal devient plus intéressant. Lorsque vous avez besoin d'un contrôle précis du couple sur une large plage de vitesses, d'un affaiblissement de champ ou d'un rendement énergétique maximal, vous vous retrouvez dans le domaine du FOC et le mode à six étapes devient le mode de secours ou le mode de démarrage, et non la méthode principale.

Il s'agit moins de savoir quelle méthode est globalement “ meilleure ” que de déterminer à quels aspects du comportement moteur votre produit prête réellement attention.

Résumé pour votre prochaine conception

Si vous considérez le modèle en 6 étapes comme “ l'option simple ”, il a tendance à présenter tous les dysfonctionnements habituels. Si vous le traitez comme un algorithme de contrôle discret, basé sur l'état, avec des contraintes spécifiques en matière de timing et de mesure, il ressemble davantage à un sous-ensemble robuste de méthodes plus avancées.

Construisez votre table de commutation à partir de données Hall ou BEMF réelles, et non à partir d'un simple diagramme. Choisissez un schéma PWM qui correspond à vos limites magnétiques et thermiques, et non pas uniquement au bloc temporisateur de votre microcontrôleur. Considérez le démarrage sans capteur et le comportement à basse vitesse comme un problème de conception distinct, et non comme un simple ajustement mineur. Et conservez une routine de banc standard pour vérifier les modèles Hall, les tensions de phase et le timing BEMF avant de blâmer l'une des boucles de contrôle.

La commutation en six étapes cesse alors d'être un simple expédient et devient un choix de conception délibéré. C'est généralement ainsi que naissent les produits fiables.