Brevet FR2681484A1 — publié le 19930319

Boîtier électronique de commande pour moteur à courant continu sans balais, à commutation électronique. La présente invention concerne un boîtier électronique de commande particulier, destiné à piloter un moteur à courant continu sans balais (couramment appelé moteur brushless), de la meme façon qu'un moteur à courant continu classique (moteur DC), ainsi que de la manière propre aux moteurs brushless. L'ensemble de cette commande associé à un moteur brushless peut remplacer avantageusement un moteur DC classique de puissance équivalente, dans quelque domaine d'application que ce soit, tels que la robotique, la machine outil ou toute autre commande d'objet ou d'axe en rotation. Le but recherché est de permettre aux utilisateurs de moteurs DC classiques de remplacer facilement ceux-ci par des moteurs brushless pour bénéficier des avantages de ce type de moteur et ce à un moindre coût. Les moteurs à courant continu sans balais (brushless) sont restés longtemps ignorés, mais ils font maintenant l'objet de nombreuses applications pratiques. Cet engouement est dû aux multiples avantages offerts par le moteur brushless : moins de perturbations électromagnétiques, une meilleure dissipation thermique, une plus grande vitesse de rotation donc un meilleur couple, ainsi qu'une plus grande fiabilité par rapport aux moteurs DC classiques. Les moteurs à courant continu classiques sont constitués d'un stator à aimant permanent et d'un rotor formé par les enroulements du bobinage qui sont reliés un à un au collecteur. L'alimentation de ces enroulements se fait sur ce collecteur via des contacts appelés charbons". Cette technologie ne permet qu'une vitesse de rotation Limitée due aux frottements collecteur-charbons générant des arcs électriques, donc une usure rapide de ceux-ci, et nécessitant une maintenance régulière. Les moteurs brushless sont, contrairement aux précédents, constitués d'un stator que forment les enroulements du bobinage (trois ou quatre) et d'un rotor à aimant permanent. Ainsi, l'alimentation du moteur est faite directement sur le bobinage sans aucune pièce mécanique intermédiaire. De ce fait, les moteurs brushless peuvent tourner plus vite et procurer une fiabilité extrême sans nécessité de maintenance. Tandis que la commande des moteurs DC classiques requiert seulement un amplificateur à courant continu simple, la commande des moteurs brushless impose l'utilisation de plusieurs amplificateurs et d'un étage de décodage de trois signaux de contrôle pour commuter les phases. Le coût de la commande s'en trouve grandement augmenté. On trouve aujourd'hui plusieurs types de commandes, mais elLes correspondent soit à des moteurs de très faible puissance, soit à des moteurs de très forte puissance, ou alors elles sont d'une complexité telle qu'elles engendrent un surcoût important inadéquat dans le cadre d'applications simples. Pour les moteurs de faible puissance dont le courant nécessaire au moteur est inférieur à un ampère, la commande se résume à un monocomposant électronique intégrant tous les signaux de contrôle. La miniaturisation de ces moteurs les rend onéreux et ils ne sont concurrentiels par rapport aux moteurs DC classiques que dans le cadre d'applications spécifiques. Pour les moteurs de forte puissance, qu'ils soient sans balais ou DC classiques, l'électronique de pilotage est nécessaire. Bien que celle du moteur brushless soit plus conséquente, les performances des moteurs brushless compensent bien le surcoût. On trouve donc de nombreuses réalisations répondant aux besoins des moteurs brushless de puissance. Dans le cadre de L'invention, à savoir les moteurs de moyenne puissance dont le courant normal est de l'ordre de 5 ampères, il n'existe que des commandes complexes incluant L'étage de pilotage, l'étage de puissance et un étage intelligent réalisant une boucle d'asservissement. Ces commandes sont très onéreuses et, de ce fait, il devient tres difficile d'utiliser des moteurs brushless en lieu et place des moteurs DC classiques pour les applications simples. De plus, il n'est possible, avec ces commandes, de piloter les moteurs brushless que de la manière qui leur est spécifique et non comme un moteur DC classique. La commande selon la présente invention, permet de remplacer un moteur DC classique par un moteur brushless, en conservant le même principe de pilotage par variation de la tension d'alimentation tout en gardant la possibilité de piloter de la façon spécifique au moteur brushless. Cette commande et le moteur brushless piloté par celle-ci, sont utilisables dans toutes applications où un moteur DC peut convenir. Cette commande comporte en outre les caractéristiques suivantes - limitation en courant moyen à 5 ampères pour protéger le moteur ; - Limitation en courant crète à 9 ampères pour protéger la commande ; - protection contre l'inversion de tension d'alimentation ; - protection en température limitant, par exemple, à 85 degrés C, la température du boîtier. Les buts, caractéristiques et avantages ci-dessus, et d'autres encore, ressortiront mieux de la description qui suit et de l'unique figure du dessin annexé, laquelle représente le circuit électronique du boiter de commande pour moteur à courant continu sans balais, à commutation électronique, selon l'invention. Le boîtier électronique de commande selon l'invention est composé de deux éléments principaux, à savoir : le circuit de contrôle des ordres de commutation, un MC33035 ou un montage équivalent architecturé de La même manière, et le circuit d'interface avec La puissance, un MPM3003 ou un montage équivalent architecturé de la même manière, ces circuits étant connus en soi. L'utilisation de ces circuits qui intègrent tous le traitement des signaux nécessaires au pilotage des moteurs brushless permet de réduire la taille du boîtier. Le pont de puissance MPM3003, ou le montage équivalent architecturé de la même manière, est constitué de six transistors Mosfets, les trois transistors de tête étant des canaux P tandis que les trois transistors de pieds sont des canaux N. Ainsi, il est aisé de piloter les transistors directement par les étages de sortie du MC33035 en n'utilisant que de simples résistances (R3 à R11) limitant la tension Vgs des transistors de tête à 12 Volts. La tension Vgs des transistors de pieds est limitée à 12 Volts, directement par la tension d'alimentation du MC33035 qui est générée par le transistor T01 monté en ballast avec la résistance ROI et la diode Zener D02. Le MC33035 gère les signaux issus des capteurs à effet Hall et, d'après un décodage propre, génère les signaux de commande des trois phases. il fournit en outre La tension d'alimentation de ces capteurs à 6,2 Volts. Le MC33035 permet de piloter le moteur en mode PWM à largeur d'impulsion variable mais si cette particularité n'est pas exploitée il est alors possible, en faisant varier la tension d'alimentation, de moduler la vitesse du moteur. Pour utiliser le mode PWM, le circuit possède une horloge dont la fréquence est fixée par la résistance R02 et le condensateur C03 à environ 22kHz. Le signal triangulaire ainsi généré est comparé à une entrée analogique pouvant varier de 1,4 Volts à 4 Volts. Il en résulte un signal carré à rapport cyclique variable qui, appliqué dans un ordre correct sur les entrées du pont de puissance MPM3003, ou son équivalent, pilote le moteur en mode dit haché. L'inductance du moteur et les selfs accumulatrices L01, L02, L03, permettent de lisser le courant du moteur. Le MC33035 possède différentes entrées exploitées dans la commande. L'entrée "enable" (broche 10 du connecteur) permet de couper la commande du moteur et de le laisser en "roue libre". Sur cette entrée, est aussi connectée la protection en température formée autour du transistor T03, de la résistance R24, de la thermistance CTNO1 et du condensateur C09. Quand la température augmente, la résistance de la thermistance de la CTNO1 diminue et lorsqu'elle est telle que la tension de base du transistor T03 dépasse 0,7 volts, celui-ci commute à la masse, et la sortie puissance est déconnectée. L'entrée "Ena" (broche 10 du connecteur) permet de couper L'alimentation du moteur, ceci le rendant libre. L'entrée "DIR" (broche 11 du connecteur) permet d'inverser le sens de rotation du moteur. L'entrée "Speed" (broche 12 du connecteur) permet de faire varier la vitesse de rotation du moteur. Les entrées "Dir" et "Enable" sont protégées par des diodes D03 et D04 contre des tensions supérieures à 6,2 volts (ces entrées sont maintenues à ce niveau par des résistances de rappel internes au MC33035). Le boîtier selon l'invention possède deux protections en courant, nécessaires pour commander de façon fiabLe les moteurs brush less. Pour les deux protections, le courant est prélevé sur la résistance R20. La première est formée autour de la résistance R19, du condensateur C05, des résistances R18, R17, et du condensateur C06. Elle permet de limiter le courant crète à 9 ampères et ainsi de protéger le MPM3003. En effet, à l'occasion de chaque commutation des phases, si le couple demandé au moteur est important, le rapport tension d'alimentation/résistance interne module + moteur ne doit pas dépasser la valeur maximum tôlérée par le MPM3003. Pour limiter cette valeur, la tension prélevée sur la résistance R20, puis intégrée par la résistance R19 et le condensateur C05, est comparée au seuil de tension fixé par les résistances R18 et R17. La constante d'intégration du courant crète est fixée à 2,2 micro-secondes pour éliminer les parasites de commutation tout en détectant les surintensités brèves.Le résultat de cette comparaison interne au MC33035 interrompt directement le signal PWM après un temps de 10 micro-secondes. Ainsi la limitation se fait pulse par pulse. La seconde limitation est en courant moyen et permet de protéger le moteur contre un échauffement excessif. La détection faite sur la résistance R20 est intégrée fortement par la résistance R16 et par le condensateur C04 sur une durée de 10 millisecondes. Ce signal est amplifié par le quadruple ampli opérationnel IC02 avec un gain de 5, puis comparé à un seuil réglable par potentiomètre et la résistance R15. Quand le courant est dépassé, la sortie du comparateur bascule à 12 volts et alimente la boucle de rétroaction comprenant les résistances R14 et R13, qui diminue rapidement le rapport cyclique jusqu'à l'annuler si nécessaire. Cette limitation est réglable par le potentiomètre P01 et accessible de L'extérieur du boîtier. La protection contre l'inversion de la polarité de la tension d'alimentation est assurée par la diode DOl. On indique ci-après la nature des différents composants du circuit électronique illustré sur le dessin, en se reportant aux références figurant sur ce dernier C01 : CONDENSATEUR CHIMIQUE, 100MF/100V C02 : CONDENSATEUR CHIMIQUE, IO!tF/60V C03 : CONDENSATEUR CERAMIQUE, ?OnF C04 : CONDENSATEUR CERAMIQUE, 100nF C05 : CONDENSATEUR CERAMIQUE, 100nF C06 : CONDENSATEUR CERAMIQUE, 100nF C07 : CONDENSATEUR CHIMIQUE, 470nF C08 : CONDENSATEUR CHIMIQUE, 1MF/25V C09 : CONDENSATEUR CERAMIQUE, 100nF R01 : RESISTANCE, 1 kOHMS 1/2W R02 : RESISTANCE, 4.7 kOHMS 1/4W R03 : RESISTANCE, 1.5 kOHMS 1/2W R04 :RESISTANCE, 1.5 kOHMS 1/2W R05 : RESISTANCE, 1.5 kOHMS 1/2W R06 : RESISTANCE, 470 OHMS 1/4W R07 : RESISTANCE, 470 OHMS 1/4W R08 : RESISTANCE, 470 OHMS 1/4W R09 : RESISTANCE, 1 kOHMS 1/2W R10 : RESISTANCE, 1 kOHMS 1/2W Rll : RESISTANCE, 1 kOHMS 1/2W R12 . RESISTANCE, 150 kOHMS 1/4W R13 : RESISTANCE, 1 MOHMS 1/4W R14 : RESISTANCE, 100 kOHMS 1/4W RIS : RESISTANCE, 27 kOHMS 1/4W R16 : RESISTANCE, 100 kOHMS 1/4W R17 : RESISTANCE, 10 kOHMS 1/4W R18 : RESISTANCE, 100 kOHMS 1/4W R19 : RESISTANCE, 22 OHMS 1/4W R20 : RESISTANCE, 0.1 OHM 5W R21 : RESISTANCE, 10 kOHMS R22 : RESISTANCE, 47 kOHMS 1/4W R23 : RESISTANCE, 1 MOHMS 1/4W R24 : RESISTANCE, 100 OHMS 1/4W R25 : RESISTANCE, 100 kOHMS 1/4W R26 : RESISTANCE, 330 kOHMS 1/4W D01 : DIODE, BYW29-100 D02 : DIODE ZENER, BZX85C12 D03 : DIODE SIGNAL, BAS21 D04 : DIODE SIGNAL, BAS21 DII : DIODE SIGNAL, BAS21 POl : POTENTIOMETRE, 1OkOHMS LOi : SELF DE CHOC, 100MH/3Amp L02 : SELF DE CHOC, 100yH/3Amp L03 : SELF DE CHOC, 100yH/3Amp T01 : TRANSISTOR NPN, TIP29C T02 : PONT MOSFETS N & , MPM3003 ou équivalent T03 : TRANSISTOR NPN, BSR14 IC02 : QUADRUPLE AMPLI OPERATIONNEL LM324 ICO1 : CIRCUIT CONTROLE MOTEUR BRUSHLESS MC33035 CTNO1 : THERMISTANCE 10 kOHMS REVENDICATIONS 1. - Boîtier électronique de commande pour moteur à courant continu sans balais, à commutation électronique (moteur brushless), permettant de piloter le moteur en vitesse par variation de la tension d'alimentation tel un moteur à courant continu classique à balais, ainsi que de la façon particulière aux moteurs brushless, par variation d'un signal de commande sur Le boîtier, ce dernier comprenant, de manière connue en soi, un circuit de contrôle des ordres de commutation (MC33035) et un circuit d'interface avec la puissance (MPM3003), caractérisé en ce que ce boîtier possède : : - une protection constituée par une limitation en courant moyen à 5 ampères, pour le moteur ; - une protection constituée par une limitation en courant crète à 9 ampères, pour la carte ; - une protection en température limitant, par exemple, à 85 degrés C la température du boîtier ; - et une protection contre l'inversion de polarité de la tension d'alimentation. 2. - Boiter électronique de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de contrôle des ordres de commutation (MC33035) possède une entrée (DIR) permettant d'inverser le sens de rotation du moteur. 3. - Boîtier électronique de commande suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que Le circuit de contrôle des ordres de commutation (MC33035) possède une entrée (ENABLE) permettant de couper l'alimentation du moteur et de mettre celui-ci en roue libre.