Commutation sans capteur : faire sortir les moteurs BLDC du laboratoire
La commutation sans capteur est en grande partie résolue sur le papier. Les schémas de force contre-électromotrice, les observateurs et les astuces d'injection fonctionnent tous. Ce qui tue encore les projets, ce n'est pas le manque de théorie, mais les détails de mesure, le comportement au démarrage et la façon dont l'algorithme se dégrade aux limites. Traitez-les comme des problèmes de conception de premier ordre et presque toutes les méthodes modernes répondront à vos spécifications. Ignorez-les et vous obtiendrez des réinitialisations aléatoires, des MOSFET surchauffés et des tickets d'assistance.
Table des matières
Ce que la plupart des articles passent sous silence
Si vous lisez des articles classiques sur le contrôle sans capteur, vous trouverez généralement le même schéma : définition du BLDC, comparaison entre capteur et sans capteur, présentation d'un diagramme clair de la force contre-électromotrice, puis présentation d'un ou deux algorithmes. Certaines notes d'application approfondissent le filtrage et les points neutres virtuels, mais s'arrêtent là où le matériel et le micrologiciel commencent à entrer en conflit.
Les travaux récents et les notes des fournisseurs vont encore plus loin : commutation de tension terminale sans détection du neutre, schémas de liaison CC sans filtre, observateurs à mode glissant, injection haute fréquence, voire estimateurs à réseau neuronal. Mais ils sont généralement décrits comme des choix dans un menu, et non comme des éléments d'une chaîne de production qui doit partager les limites en matière de silicium, de bande passante et de CEM.
Il ne s'agit donc pas d'un tutoriel. Il s'agit d'un point de vue biaisé par le terrain sur ce qui détermine réellement si votre commutation sans capteur est d'une fiabilité ennuyeuse ou si elle fait l'objet d'une “ enquête ” permanente.”
Deux problèmes cachés sous le terme “ commutation sans capteur ”
On ne conçoit jamais vraiment la “ commutation sans capteur ” comme un bloc unique. On conçoit deux régimes distincts et une couche d'arbitrage qui fait comme s'ils étaient identiques.
À vitesse nulle ou très faible, la force contre-électromotrice n'est pas mesurable. Les schémas classiques à passage par zéro et la plupart des observateurs de force contre-électromotrice sont aveugles dans ce cas. Vous pouvez soit fonctionner en boucle ouverte (commutation forcée avec une position de rotor supposée), soit injecter un signal de sondage, soit vous accommoder d'un seuil de vitesse peu pratique.
Une fois que le rotor tourne suffisamment vite, le problème change de nature. Vous ne vous demandez plus “ où se trouve le rotor ? ”, mais “ quel est le retard de mon estimateur et quelle est sa stabilité par rapport au courant, à la température et à l'alimentation ? ”. Dans cette zone, presque tous les algorithmes sensés fonctionnent si les signaux sont clairs. Ce qui fait la différence, c'est la prévisibilité des modes de retard et de défaillance.
C'est lors du transfert entre ces régimes que de nombreux systèmes présentent des dysfonctionnements. Une erreur courante consiste à relier une rampe en boucle ouverte rudimentaire à un estimateur haute vitesse sophistiqué et à supposer qu'un seuil de vitesse unique permettra de les empêcher d'interférer l'un avec l'autre. Cela fonctionne généralement sur le banc d'essai, mais échoue dans le cas de combinaisons inhabituelles de charge et de tension d'alimentation qui n'étaient pas prévues dans votre plan de test.
Choisir une méthode : pas seulement “ FOC ou six étapes ”
La plupart des articles de blog présentent ce choix comme binaire : commutation par blocs avec simple détection de la force contre-électromotrice, ou contrôle entièrement orienté champ avec un observateur. Les fournisseurs publient des comparaisons claires sur les ondulations de couple, le bruit et l'efficacité. La réalité est plus nuancée.
Voici un aperçu concis des principales familles actuellement utilisées, y compris les techniques qui apparaissent dans les articles récents et les notes d'application plus récentes.
| Méthode | Point idéal typique | Signaux / matériel requis | Principaux points sensibles pratiques | Où il a tendance à gagner |
|---|---|---|---|---|
| Simple passage à zéro de la force contre-électromotrice avec neutre virtuel | Moteurs trapézoïdaux à vitesse moyenne à élevée | Tensions de phase, réseau neutre virtuel, comparateurs ou convertisseur analogique-numérique | Faibles performances à basse vitesse, sensible aux ondulations d'alimentation et aux tolérances du moteur, réglage des filtres RC par rapport à la vitesse | Ventilateurs, pompes, entraînements à faible coût où le bruit acoustique et la réponse dynamique ne sont pas stricts |
| Contre-Énergie Électromotrice Filtrée avec Logique de Synchronisation Numérique | Vitesse moyenne à élevée, plage de régime plus large | Échantillonnage ADC des tensions de phase, filtres numériques, capture par minuterie | Retard de phase dépendant de la vitesse des filtres, étalonnage entre les moteurs, budget de calcul sur les petits microcontrôleurs | Commandes sensibles au coût nécessitant une meilleure précision de synchronisation que les schémas de comparaison bruts |
| Commutation ligne à ligne / tension aux bornes | Vitesse moyenne, BLDC basse tension | Deux ou trois tensions terminales référencées au bus CC, généralement sans reconstruction du neutre | Couplage dépendant de la disposition, nécessité d'une bonne réjection en mode commun, synchronisation minutieuse des fenêtres de mesure | Entraînements compacts à basse tension où la surface des circuits imprimés et la nomenclature pour les réseaux neutres ou les filtres sont limités |
| Méthodes de modulation sans filtre de la boucle CC | Systèmes à moyenne vitesse et basse tension avec PWM bruyant | Tension et courant du bus CC, modèle de modulation spécial | Lié à une modulation spécifique ; la mise à niveau vers un micrologiciel d'onduleur générique est difficile ; interaction avec les filtres EMI. | Cas où le bruit PWM domine et où l'élimination des filtres analogiques permet de réduire à la fois les coûts et les variations de retard de commutation |
| Estimation de la force contre-électromotrice en mode glissant ou basée sur un observateur | Large plage de vitesse au-dessus d'une vitesse minimale | Courants et tensions de phase, estimateur plus lourd sur le plan informatique | Contrôle du bavardage, sensibilité des paramètres, complexité du débogage, nécessité d'une attention particulière aux points fixes sur les petits microcontrôleurs | Entraînements haut de gamme nécessitant des estimations de position continues, une meilleure réponse dynamique et une compatibilité FOC |
| Injection à haute fréquence (HFI) et méthodes basées sur la saillance | Vitesse nulle à faible vitesse, en particulier IPMSM avec saillie | Injection de tension haute fréquence et mesure de courant, bonne interface analogique | Bruit acoustique provenant de l'injection, dépendance des paramètres à la température, calculs mathématiques supplémentaires, considérations relatives aux interférences électromagnétiques | Applications de type servo nécessitant un couple à l'arrêt sans capteurs, ou entraînements devant démarrer de manière fiable sous une charge inconnue. |
| Estimateurs basés sur les données / assistés par ML | Variable ; principalement dans la recherche et les produits de niche | Plus de mémoire et de puissance de calcul, données d'entraînement ou boucle d'adaptation | Plus difficile à certifier et à expliquer, sensibilité aux points de fonctionnement invisibles, maintenance des modèles | Entraînements personnalisés permettant de collecter des données sur le terrain et de compenser les effets fortement non linéaires ou les écarts de fabrication. |
Le but n'est pas de déterminer quelle ligne est “ la meilleure ”. Il s'agit plutôt de constater que la plupart des produits réels finissent par combiner au moins deux de ces comportements en matière de vitesse, voire parfois trois. Par exemple, un variateur d'appareil électroménager de gamme moyenne peut utiliser un alignement et une rampe en boucle ouverte, puis un schéma de commutation ligne à ligne, et enfin passer à un FOC complet avec un observateur de force contre-électromotrice dès que la vitesse et le rapport signal/bruit le justifient.
La plomberie de mesure décide de presque tout
Les documents et supports marketing présentent généralement des formes d'onde nettes avec des pentes régulières. Ce ne sera pas le cas de votre circuit imprimé. L'ensemble de la pile sans capteur repose sur ce que le convertisseur analogique-numérique ou le comparateur voit réellement après le temps mort, les pics de récupération des diodes, les ondulations d'alimentation, les rebonds de masse et les shunts bon marché.
Quelques schémas se répètent régulièrement.
Si vous utilisez des comparateurs pour la détection du passage par zéro, les temps d'hystérésis et de suppression ne sont pas des paramètres mineurs. Ils programment directement le degré d'erreur de synchronisation électrique que vous tolérez à différentes vitesses. Une hystérésis trop faible et le comparateur vibre sur les fronts PWM. Si elle est trop importante, le seuil de passage effectif dérive avec le courant. La suppression qui masque les fronts de commutation peut également masquer le véritable passage à zéro à grande vitesse. Les fournisseurs le suggèrent, mais le réglage reste souvent aléatoire, à moins que vous ne calculiez explicitement l'erreur de phase sur toute la plage de vitesse et de courant.
Si vous vous fiez à l'échantillonnage ADC de la force contre-électromotrice, l'interaction entre les instants d'échantillonnage et les modèles PWM devient le problème central. Le PWM aligné au centre, le PWM aligné sur les bords et la modulation vectorielle spatiale créent tous des fenêtres “ propres ” différentes pour mesurer une phase flottante. Déplacez l'ISR d'échantillonnage de quelques cycles CPU seulement et vous modifiez le biais de votre estimateur. La plupart des cas où “ cela fonctionne dans une version mais pas dans une autre ” sont dus à ce couplage temporel plutôt qu'à des erreurs dans les équations de l'algorithme.
Pour les capteurs utilisés avec le FOC, la qualité de la détection du courant détermine également la qualité de la commutation. La dérive de décalage dans les shunts, la mauvaise reconstruction dans les conceptions à shunt unique ou les amplificateurs saturés pendant les pics de courant se répercutent directement sur la position estimée du rotor. Cela se traduit alors par une ondulation du couple ou un bruit acoustique et est facilement attribué à tort à la stratégie de modulation.
Donc, si vous voulez une règle pratique : considérez le frontal analogique et le programme d'échantillonnage comme faisant partie de l'algorithme de commutation, et non comme de la plomberie. Dessinez-les sur le même schéma. Notez leurs retards en degrés électriques à plusieurs vitesses et courants. Ajustez le code jusqu'à ce que les chiffres soient explicites, et non estimés.
Démarrage et faible vitesse : choisir votre fiction
À l'arrêt, vous devez prendre une décision : soit vous adoptez une position du rotor et imposez un schéma, soit vous perturbez le moteur et lisez sa réponse. Les deux sont des approximations. La question est de savoir quelle approximation échoue le plus gracieusement dans votre application.
L'alignement et la rampe en boucle ouverte sont simples et peu coûteux. Vous alimentez un vecteur connu suffisamment longtemps pour aligner le rotor, puis vous accélérez la commutation selon un profil fixe jusqu'à ce que la force contre-électromotrice ou un observateur dispose d'un signal suffisant pour prendre le relais. Cela fonctionne bien lorsque le couple de charge est prévisible et que l'inertie est connue. Cela devient fragile lorsque la charge peut se bloquer, s'inverser ou appliquer un couple par à-coups au démarrage. Dans ce cas, le rotor peut ne pas suivre la trajectoire supposée et vous n'avez aucun moyen de le savoir tant que vous n'atteignez pas les limites de courant ou que l'estimateur ne se met pas soudainement en désaccord.
Les méthodes d'injection à haute fréquence évitent délibérément cette fiction en traitant le moteur à faible vitesse comme un système magnétique quasi statique. Un petit signal de sondage révèle la saillie ou l'anisotropie du rotor, ce qui vous donne une estimation de la position même avec une vitesse moyenne nulle. Cela améliore le contrôle du couple à basse vitesse et la robustesse au démarrage, mais ajoute un fond constant d'énergie injectée et de complexité algorithmique. Vous devez également accepter que les signatures acoustiques et EMI changent ; parfois, cela ne pose pas de problème, mais parfois, le marketing considérera cela comme un problème.
Une conception hybride fonctionne souvent mieux : alignement déterministe court, rampe en boucle ouverte minimale, puis HFI uniquement dans la zone étroite où l'estimation basée sur la force contre-électromotrice n'est pas encore satisfaisante. L'utilisation discontinue de l'injection réduit l'impact acoustique et les calculs, tout en donnant à l'estimateur un point d'ancrage pendant les transitoires délicats tels que le démarrage lent ou les calages partiels.
C'est une erreur de synchronisation, et non le nom de l'algorithme, qui entraîne des pertes et du bruit.
Les discussions autour de l'efficacité et des performances acoustiques comparent souvent le contrôle en six étapes au FOC, comme si le style de commutation seul déterminait le résultat. En pratique, le facteur dominant est l'erreur d'alignement de phase entre le flux et le courant du rotor, et non le fait que votre code écrive trois cycles de service ou deux plus un vecteur zéro.
Avec la commutation par blocs de base, toute erreur de synchronisation constante au moment de la commutation entraîne une ondulation du couple et augmente les pertes dans le cuivre et le noyau. Une commutation sous-avancée gaspille le couple potentiel et produit un grondement caractéristique à certaines vitesses et charges. Une commutation suravancée augmente le courant pour une même charge et peut chauffer le moteur et l'onduleur de manière disproportionnée. La même logique s'applique dans le FOC continu, simplement exprimée sous forme d'erreur d'angle dans l'observateur ou le codeur.
C'est pourquoi les spécificités de votre estimateur sans capteur importent moins que leur variance et leur biais entre les points de fonctionnement. Un schéma de passage à zéro rudimentaire avec un retard soigneusement caractérisé et une simple table d'avance dépendante de la vitesse peut offrir un meilleur rendement réel qu'un observateur sophistiqué qui se déplace de plusieurs degrés chaque fois que le bus CC saute parce qu'un compresseur s'est mis en marche.
Un objectif concret consiste donc à quantifier votre erreur d'angle électrique en fonction de la charge, de la vitesse et de la tension du bus. Si vous pouvez la maintenir dans une bande étroite que vous connaissez, vous pouvez la compenser. Si vous ne pouvez même pas la mesurer, vous ne faites que changer d'algorithme et espérer que cela fonctionne.
Utiliser des idées plus récentes sans reconstruire l'ensemble de la pile
Les publications récentes sur la commutation sans capteur présentent des techniques qui peuvent être utilisées de manière progressive plutôt que comme des remplacements complets.
Les méthodes de modulation sans filtre du bus CC montrent qu'il est possible d'éviter les filtres RC classiques tout en obtenant des instants de commutation propres en modelant la commutation de l'onduleur afin de simplifier les mesures. Il n'est pas nécessaire de reproduire exactement la modulation pour en tirer des enseignements ; même des contraintes modestes sur les modèles de commutation dans certains secteurs peuvent rendre vos fenêtres de mesure plus prévisibles et réduire la dépendance aux filtres analogiques.
La commutation basée sur la tension aux bornes, y compris les schémas qui n'utilisent que deux tensions aux bornes par rapport à un neutre virtuel, peut réduire le nombre de composants et parfois améliorer la tolérance aux perturbations en mode commun. Elle vous oblige également à considérer le moteur et le variateur comme un seul réseau distribué, car les capacités dépendantes de la disposition affectent soudainement votre détection directement. Cela est moins pratique, mais vous donne un modèle plus honnête.
Les observateurs à mode glissant et les techniques robustes similaires sont souvent présentés comme des composants tout ou rien, mais ils peuvent coexister avec des estimateurs plus simples. Une approche pragmatique consiste à exécuter en parallèle un estimateur EMF de base et un observateur plus avancé, puis à utiliser une logique de confiance pour choisir lequel alimente l'angle de commutation à chaque point de fonctionnement. Cela est particulièrement utile lorsque votre estimateur avancé est performant sous une charge dynamique, mais moins fiable à proximité de combinaisons spécifiques de vitesse et d'ondulation du bus CC.
Les estimateurs basés sur l'apprentissage automatique sont encore récents dans ce domaine, mais certains travaux combinent déjà les tensions terminales et les variables du bus CC pour alimenter des modèles neuronaux destinés à déterminer le moment de la commutation. Même si vous n'utilisez jamais d'estimateur neuronal, les modèles hors ligne entraînés à partir de données de laboratoire peuvent vous aider à comprendre la structure de vos erreurs de phase et à concevoir une meilleure compensation basée sur des règles.
Une méthode de réglage pratique qui ne poursuit pas indéfiniment des chimères
Lorsqu'on travaille sur une nouvelle conception, il est tentant de mettre en place d'un seul coup toute la pile sans capteur. Cela masque généralement les problèmes plutôt que de faire gagner du temps. Une approche plus prudente consiste à utiliser une complexité progressive et une journalisation rigoureuse.
Commencez par rendre l'onduleur et la détection de courant ennuyeux à l'aide d'un contrôle par capteur ou d'un modèle en boucle ouverte connu pour être fiable. Vérifiez que les mesures de courant, les températures et le comportement EMI correspondent aux attentes. Si cette étape est faible, toute méthode sans capteur héritera de cette faiblesse et l'amplifiera.
Deuxièmement, implémentez la méthode de détection de commutation la plus simple possible qui puisse fonctionner sur votre matériel, même si vous savez qu'elle ne répondra pas aux exigences finales. Pour de nombreux systèmes, il s'agit d'une détection brute du passage par zéro du comparateur avec des délais fixes. Pour d'autres, il peut s'agir d'un estimateur ADC de force contre-électromotrice de base sans filtrage sophistiqué. Utilisez-le pour collecter des données d'erreur d'angle par rapport à une référence externe telle qu'un encodeur ou un anneau capteur Hall temporaire.
Troisièmement, à partir de ces données, élaborez des tables de correction ou des modèles compacts dépendant de la vitesse et de la charge. Ce n'est qu'après avoir pu expliquer la forme de ces corrections qu'il devient logique d'introduire des observateurs, des filtres numériques ou des schémas hybrides. Sinon, vous ne faites qu'empiler aveuglément des compensateurs.
Enfin, traitez les transitions comme des fonctionnalités de premier ordre. Définissez précisément à quelle vitesse et dans quelles conditions vous passez de la boucle ouverte à l'estimateur A, de l'estimateur A à l'estimateur B, ou de six étapes à FOC. Enregistrez explicitement ces transitions et insistez dessus lors des tests : sauts de bus, étapes de charge soudaines, commandes inversées, baisses de tension.
Tout cela n'a rien d'exotique. C'est simplement méthodique. Et cela tend à produire des moteurs qui se comportent de la même manière le lundi et le vendredi, sur des unités chaudes et froides, sur l'ensemble de la gamme de production.
Débogage par symptômes plutôt que par théorie
En pratique, on part généralement du comportement du moteur, et non des équations. Certains symptômes correspondent fortement à certaines catégories de problèmes de commutation sans capteur. Quelques exemples illustrent cette approche.
Si le moteur démarre correctement à froid mais refuse de démarrer à chaud, soupçonnez des variations liées à la température dans les seuils du comparateur, les décalages de shunt ou les paramètres moteur utilisés dans les observateurs. Vous pouvez vérifier cela en enregistrant l'angle estimé par rapport à un encodeur lorsque le système passe de la température ambiante à son état stable.
Si le variateur est silencieux et efficace à basse et haute vitesse, mais présente une bande étroite et bruyante dans les fréquences moyennes, soupçonnez des retards de filtre dépendants de la vitesse, une quantification de la minuterie ou une interaction PWM. Les méthodes basées sur la force contre-électromotrice qui s'appuient sur des réseaux RC et des minuteries présentent souvent de telles “ bandes bruyantes ” lorsque leurs hypothèses de retard fixe ne correspondent pas à la fréquence électrique du moteur.
Si le variateur fonctionne correctement sous une charge constante mais présente des ratés lors de variations rapides du couple, vérifiez la bande passante de l'observateur et la saturation de la détection de courant. De nombreux estimateurs à mode glissant ou basés sur une boucle à verrouillage de phase (PLL) supposent que les signaux de courant restent dans des plages linéaires et que la gigue d'échantillonnage est modérée. Lorsque ces hypothèses ne sont plus valables, l'estimateur prend du retard et l'angle de commutation peut varier de plusieurs degrés.
Disposer d'un catalogue de ces paires symptôme-mécanisme au sein de votre équipe réduit souvent davantage le temps de débogage qu'un nouvel estimateur.
Notes de clôture
La commutation sans capteur ne nécessite pas d'autre explication générique de la force contre-électromotrice. Elle nécessite une vision honnête de ce qui détermine réellement si l'entraînement est stable, efficace et reproductible sur une chaîne de production. Les algorithmes sont importants, mais la combinaison de la chaîne de mesure, de la stratégie de démarrage, de la logique de transition et des marges d'erreur de synchronisation explicites est encore plus importante.
Si vous concevez ces composants avec autant de soin que vous choisissez l'estimateur, la plupart des débats classiques opposant les six étapes au FOC, ou les forces contre-électromotrices aux observateurs, perdent beaucoup de leur intensité. Vous obtenez alors un système dont le comportement de commutation est prévisible, explicable et dont la complexité correspond exactement aux besoins de votre application.
