Trois façons de contrôler un moteur à induction monophasé

Chaque jour, les ingénieurs conçoivent des produits utilisant des moteurs à induction monophasés. Le contrôle de vitesse des moteurs à induction monophasés est souhaitable dans la plupart des applications de contrôle de moteur car il fournit non seulement une vitesse variable, mais réduit également la consommation d’énergie et le bruit audible.

La plupart des moteurs à induction monophasés sont unidirectionnels, ce qui signifie qu’ils sont conçus pour tourner dans un seul sens. Soit en ajoutant des enroulements supplémentaires, des relais externes et des commutateurs, soit en ajoutant des mécanismes d’engrenage, le sens de rotation peut être modifié. En utilisant des systèmes de contrôle basés sur des microcontrôleurs, on peut ajouter une variation de vitesse au système. En plus de l’option de variation de vitesse, le sens de rotation peut également être modifié, en fonction des algorithmes de contrôle du moteur utilisés.

Les moteurs à condensateur permanent (PSC) sont le type le plus populaire de moteurs à induction monophasés. Cet article traite des différentes techniques et topologies d’entraînement pour contrôler la vitesse d’un moteur PSC dans une et deux directions.

Interface de microcontrôleur

Un microcontrôleur est le cerveau du système. Souvent, les contrôleurs utilisés pour les applications de contrôle de moteur ont des périphériques spécialisés tels que des PWM de contrôle de moteur, des convertisseurs analogique-numérique (ADC) à grande vitesse et des broches de diagnostic. Le PIC18F2431 et le dsPIC30F2010 de Microchip ont tous deux ces fonctionnalités intégrées.

L’accès aux périphériques spécialisés sur puce du microcontrôleur facilite la mise en œuvre des algorithmes de contrôle.

Les canaux ADC sont utilisés pour mesurer le courant du moteur, la température du moteur et la température du dissipateur thermique (connectés aux interrupteurs d’alimentation). Un troisième canal ADC est utilisé pour lire les niveaux du potentiomètre, qui est ensuite utilisé pour régler la vitesse du moteur. Des canaux ADC supplémentaires peuvent être utilisés dans l’application finale pour lire différents capteurs, tels que le détecteur de proximité, les capteurs de turbidité, le niveau d’eau, la température du congélateur, etc.

Les entrées et sorties (E/S) à usage général peuvent être utilisées pour interfacer des commutateurs et des écrans dans une application. Par exemple, dans une application de réfrigérateur, ces E/S à usage général peuvent être utilisées pour contrôler un écran LCD, un écran LED à sept segments, une interface à bouton-poussoir, etc. Canaux de communication comme I2C^(MT) ou SPI^(MT) sont utilisés pour connecter la carte de commande du moteur avec une autre carte pour échanger des données.

Les interfaces de défaut et de diagnostic incluent des lignes d’entrée avec des fonctionnalités spéciales telles que la possibilité d’arrêter les PWM en cas de défauts catastrophiques dans le système. Par exemple, dans un lave-vaisselle, si l’entraînement est bloqué à cause des déchets accumulés, cela pourrait empêcher le moteur de tourner. Ce blocage peut être détecté sous forme de surintensité dans le système de commande du moteur. Grâce aux fonctions de diagnostic, ces types de défauts peuvent être enregistrés et/ou affichés, ou transférés vers le PC de dépannage d’un technicien de maintenance. Souvent, cela empêchera les pannes graves et réduira les temps d’arrêt du produit, ce qui se traduira par des coûts de service réduits.

L’interface matérielle pour le PIC 18F2431 ou dsPIC30F2010.

Les PWM sont les principaux périphériques utilisés pour contrôler le moteur. En utilisant les entrées ci-dessus, l’algorithme de contrôle du moteur du microcontrôleur détermine le cycle de service PWM et le modèle de sortie. Les caractéristiques les plus précieuses du PWM incluent des canaux complémentaires avec un temps mort programmable. Les PWM peuvent être alignés sur les bords ou alignés au centre. Les PWM alignés au centre ont l’avantage de réduire le bruit électromagnétique (EMI) émis par le produit.

Option 1 : contrôle unidirectionnel

Le contrôle VF dans une direction rend la topologie du variateur et l’algorithme de contrôle relativement faciles. La tâche consiste à générer une alimentation à tension et fréquence variables à partir d’une alimentation à tension et fréquence fixes (telle qu’une alimentation murale). La figure de la page 85 montre la représentation du schéma fonctionnel de cette topologie de lecteur, avec les trois sections de construction de base décrites précédemment. Les enroulements du moteur sont connectés au centre de chaque demi-pont sur la section sortie-onduleur. De nombreux moteurs disponibles dans le commerce ont à la fois les enroulements principal et de démarrage connectés ensemble avec un condensateur connecté en série avec l’enroulement de démarrage. Avec cette configuration, le moteur peut n’avoir que deux fils saillants (M1 et M2).

Le MCU illustré dans le schéma fonctionnel dispose d’un module Power Control PWM (PCPWM), qui est capable de produire jusqu’à trois paires de PWM avec une zone morte entre les paires. La bande morte est essentielle dans une application de commande de moteur à induction pour éviter la conduction croisée du bus cc à travers les interrupteurs d’alimentation lorsque l’un s’éteint et que l’autre s’allume. Le circuit de diagnostic peut comprendre une surveillance du courant du moteur, une surveillance de la tension du bus cc et une surveillance de la température sur le dissipateur thermique connecté aux interrupteurs d’alimentation et au moteur.

Représentation sous forme de schéma fonctionnel de la topologie du variateur avec les trois sections de base du bâtiment. Avec cette configuration, le moteur peut n’avoir que deux fils saillants (M1 et M2). Le MCU illustré possède un module PWM capable de produire jusqu’à trois paires de PWM avec une zone morte entre les paires.

Commande bidirectionnelle à l’aide d’un pont en H.

Contrôle bidirectionnel

La plupart des moteurs PSC sont conçus pour fonctionner dans un seul sens. Cependant, de nombreuses applications nécessitent une rotation bidirectionnelle du moteur. Historiquement, des mécanismes d’engrenage ou des relais et commutateurs externes étaient utilisés pour obtenir une rotation bidirectionnelle. Lorsque des engrenages mécaniques sont utilisés, l’arbre du moteur tourne dans un sens et les engrenages pour la marche avant et la marche arrière s’engagent et se désengagent selon la direction requise. À l’aide de relais et de commutateurs, la polarité de l’enroulement de démarrage est inversée électriquement en fonction de la direction requise.

Malheureusement, tous ces composants augmentent le coût du système pour le contrôle ON et OFF de base dans deux directions.

Dans cette section, nous discuterons de deux méthodes de contrôle de vitesse bidirectionnel pour les moteurs PSC utilisant un entraînement basé sur un microcontrôleur. Les topologies d’entraînement discutées ici produisent des tensions efficaces, qui entraînent l’enroulement principal et commencent l’enroulement à des déphasages de 90 degrés les uns par rapport aux autres. Cela permet au concepteur du système de retirer le condensateur, qui est en série avec l’enroulement de démarrage, du circuit en permanence, réduisant ainsi le coût total du système.

Option n°2 : onduleur à pont en H

Cette méthode a un doubleur de tension côté entrée ; côté sortie, un pont en H ou un onduleur biphasé est utilisé (voir figure ci-dessus). Une extrémité des enroulements principal et de démarrage est connectée à chaque demi-pont ; les autres extrémités sont connectées ensemble au point neutre de l’alimentation en courant alternatif, qui sert également de point central pour le doubleur de tension.

Le circuit de commande nécessite quatre PWM avec deux paires complémentaires et une bande morte suffisante entre les sorties complémentaires. PWM0-PWM1 et PWM2-PWM3 sont les paires PWM avec bande morte. À l’aide de PWM, le bus cc est synthétisé pour fournir deux tensions sinusoïdales à 90 degrés de déphasage avec une amplitude et une fréquence variables, selon le profil VF. Si la tension appliquée à l’enroulement principal est en retard de 90 degrés par rapport à l’enroulement de démarrage, le moteur tourne dans le sens direct. Pour inverser le sens de rotation, la tension fournie à l’enroulement principal doit être supérieure à la tension fournie à l’enroulement de démarrage.

Tensions de phase lorsque le moteur tourne en marche avant et en marche arrière.

Cette méthode d’onduleur à pont en H pour contrôler un moteur de type PSC présente les inconvénients suivants.

Les enroulements principal et de démarrage ont des caractéristiques électriques différentes. Ainsi, le courant traversant chaque interrupteur est déséquilibré. Cela peut entraîner une panne prématurée des dispositifs de commutation dans l’onduleur.

Le point commun des enroulements est directement relié à l’alimentation du neutre. Cela peut augmenter les signaux de commutation qui s’infiltrent dans l’alimentation principale et peut augmenter le bruit émis sur la ligne. À son tour, cela peut limiter le niveau EMI du produit, enfreignant certains objectifs et réglementations de conception.

La tension continue efficace gérée est relativement élevée en raison du circuit doubleur de tension d’entrée.

Enfin, le coût du circuit doubleur de tension lui-même est élevé en raison de deux gros condensateurs de puissance.

Une meilleure solution pour minimiser ces problèmes serait d’utiliser un pont d’onduleur triphasé, comme discuté dans la section suivante.

Option n°3 : Utilisation d’un pont onduleur triphasé

La section d’entrée est remplacée par un redresseur à pont de diodes standard. La section de sortie a un pont onduleur triphasé. La principale différence par rapport au schéma précédent est la méthode utilisée pour connecter les enroulements du moteur à l’onduleur. Une extrémité des enroulements principal et de démarrage est connectée à un demi-pont chacun. Les autres extrémités sont attachées ensemble et connectées au troisième demi-pont.

Commande par pont onduleur triphasé.

Avec cette topologie d’entraînement, le contrôle devient plus efficace. Cependant, l’algorithme de contrôle devient plus complexe. Les tensions d’enroulement, Va, Vb et Vc, doivent être contrôlées pour atteindre la différence de phase entre les tensions effectives aux bornes des enroulements principal et de démarrage, afin d’avoir un déphasage de 90 degrés l’une par rapport à l’autre.

Afin d’avoir des niveaux de tension de tension égaux sur tous les appareils, ce qui améliore l’utilisation de l’appareil et fournit la tension de sortie maximale possible pour une tension de bus cc donnée, les trois tensions de phase de l’onduleur sont maintenues à la même amplitude, comme indiqué par :

| Va | = | Vb | = | Vc |

La tension effective aux bornes des enroulements principal et de démarrage telle qu’elle est donnée par :

Vmain = Va-Vc

Vstart = Vb-Vc

Le sens de rotation peut être facilement contrôlé par l’angle de phase Vc par rapport à Va et Vb.

Les figures de la page 87 montrent les tensions de phase Va, Vb et Vc, les tensions effectives aux bornes de l’enroulement principal (Vmain) et de l’enroulement de démarrage (Vstart) pour le sens direct et le sens inverse respectivement.

L’utilisation de la méthode de contrôle de l’onduleur triphasé sur un compresseur de 300 W a permis une économie d’énergie de 30 % par rapport aux deux premières méthodes.

Ressources de microcontrôleur requises
Ressource	Unidirectionnel	Pont en H bidirectionnel	Bidirectionnel avec pont triphasé	Remarques
Mémoire de programme	1,5 Ko	2,0 Ko	2,5 Ko	—
Mémoire de données	~20 octets	~25 octets	~25 octets	—
Canaux PWM	2 canaux	2 canaux	3 canaux	Complément au temps mort
Minuteur	1	1	1	8 ou 16 bits
Convertisseur analogique-numérique	3 à 4 canaux	3 à 4 canaux	3 à 4 canaux	Courant moteur, mesures de température, potentiomètre de contrôle de vitesse
E/S numériques	3 à 4	3 à 4	3 à 4	Pour les interfaces utilisateur telles que les commutateurs et les écrans
Entrées de défaut	1 ou 2	1 ou 2	1 ou 2	Pour surintensité/surtension/surtempérature, etc.
Complexité de l’algorithme de contrôle	Meugler	Moyen	Haute	—
Comparaison des coûts
	Unidirectionnel	Bidirectionnel avec pont en H	Bidirectionnel avec pont triphasé
Section convertisseur d’entrée	Bas – Redresseur à pont de diodes monophasé	Élevé – En raison du circuit doubleur de tension	Bas – Redresseur à pont de diodes monophasé
Section inverseur de sortie	Basse – Deux demi-ponts	Moyen – Deux demi-ponts. Les commutateurs d’alimentation ont une tension plus élevée	Haut – onduleur triphasé. L’utilisation de modules d’alimentation intégrés (IPM) est un meilleur choix que les composants discrets
Moteur	Moyen – Condensateur de démarrage requis	Faible – Le condensateur de démarrage est retiré du moteur	Faible – Le condensateur de démarrage est retiré du moteur
Temps de développement	Court	Milieu de gamme	Longue
Coût total	Meugler	Moyen	Moyen – Contrôle efficace pour le coût donné

Un autre avantage de l’utilisation de la méthode de contrôle triphasé est que la même topologie du matériel d’entraînement peut être utilisée pour contrôler un moteur à induction triphasé. Dans ce scénario, le microcontrôleur doit être reprogrammé pour produire des tensions sinusoïdales avec un déphasage de 120 degrés les unes par rapport aux autres, ce qui entraîne un moteur à induction triphasé. Cela réduit le temps de développement.

Les moteurs à induction monophasés sont très populaires dans les appareils électroménagers et les applications industrielles et grand public. Les PSC sont le type le plus populaire de moteurs à induction monophasés. Le contrôle de la vitesse du moteur présente de nombreux avantages, tels que l’efficacité énergétique, la réduction du bruit audible et un meilleur contrôle de l’application. Dans cet article, nous avons discuté des différentes méthodes de contrôle de vitesse qui peuvent être utilisées avec un moteur PSC en unidirectionnel et bidirectionnel. Le contrôle d’un moteur PSC à l’aide d’une topologie d’onduleur triphasé fournit les meilleurs résultats.

Tension de phase lorsque le moteur tourne dans les sens avant et arrière.

Ressources Web
Un aperçu des types de moteurs, de la classification des moteurs et des applications utilisant les PIC et dsPIC de Microchip : http://rbi.ims.ca/3860-559	Spécifications de programmation de la fiche technique et notes d’application pour le microcontrôleur PIC 18FXX31 : http://rbi.ims.ca/3860-560	Outils de développement de contrôle moteur de Microchip : http://rbi.ims.ca/3860-561