Contrôle des moteurs

DC à balais (BDC)

Les moteurs à courant continu à balais (BDC) tirent leur nom des « balais » utilisés pour la commutation. Les moteurs à courant continu à balais sont fréquemment utilisés dans les appareils électroménagers et dans les automobiles. Ils conservent également un fort créneau industriel en raison de la capacité de modifier le rapport couple/vitesse exclusif aux moteurs à balais. Les BDC sont faciles à contrôler car la vitesse et le couple sont proportionnels à la tension/au courant appliqué.

Un moteur à courant continu à balais est composé de 4 composants de base : le stator, le rotor (ou armature), les balais et le commutateur. Le rotor, aussi connu sous le nom d'armature, est composé d'un ou plusieurs enroulements. Lorsque ces enroulements sont excités, ils produisent un champ magnétique. Les pôles magnétiques de ce champ rotor sont attirés vers les pôles opposés générés par le stator, ce qui fait tourner le rotor. Lorsque le moteur tourne, les enroulements sont constamment alimentés dans un ordre différent afin que les pôles magnétiques générés par le rotor ne dépassent pas les pôles générés dans le stator. Ce changement du champ dans les enroulements du rotor est appelé Commutation. Le sens de rotation, dans le sens des aiguilles d'une montre et/ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, peut être facilement inversé en inversant la polarité des balais, c'est-à-dire en inversant les fils de la batterie.

Il existe quatre types de moteurs BDC. Moteur à courant continu à balais à aimant permanent, moteur à courant continu en dérivation à balais, moteur à courant continu série à balais et, quatrième type, moteur à courant continu composé à balais, qui est une combinaison des moteurs à courant continu en dérivation et série à balais.

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Moteur DC sans balais (BLDC)

Le moteur DC sans balais (BLDC) est également appelé moteur à commutation électronique. Le rotor est dépourvu de balais et la commutation est effectuée électroniquement sur certaines positions de rotor. Un moteur BLDC est un moteur synchrone à aimants permanents, générant une onde de force contre-électromotrice unique, ce qui lui permet de se comporter de façon similaire à un moteur DC à balais traditionnel. Un moteur BLDC ne fonctionne pas directement à partir d'une source de tension DC. Cependant, le principe de fonctionnement de base est similaire à celui d’un moteur DC.

Un moteur DC sans balais a un rotor équipé d’aimants permanents et un stator avec enroulements. Un moteur BLDC est globalement un moteur DC retourné. Les balais et le collecteur ont été éliminés et les enroulements sont connectés à l'électronique de commande. L'électronique de commande remplace la fonction du collecteur et excite le bon enroulement. Les enroulements sont excités selon une configuration tournant autour du stator. L’enroulement excité entraîne l'aimant du rotor et les commutateurs au moment où le rotor s'aligne avec le stator.

Le moteur DC sans balais est le choix idéal pour les applications nécessitant une grande fiabilité, un haut rendement et un très bon rapport puissance/volume. En général, un moteur BLDC est considéré comme un moteur de haute performance, capable de fournir un couple élevé sur une plage de vitesse étendue.

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Moteur à induction AC

Le moteur à induction est un des moteurs électriques les plus couramment utilisés dans la plupart des applications. Ce moteur est également appelé moteur asynchrone, car le rotor tourne toujours à une vitesse plus faible que le champ, ce qui en fait un moteur AC asynchrone. Il tourne à une vitesse inférieure à sa vitesse synchrone. Les moteurs à induction AC sont monophasés ou triphasés. Le système de puissance monophasé est plus largement utilisé que le système triphasé à des fins domestiques, commerciales et dans une certaine mesure, industrielles.

Le stator du moteur se compose de bobinages décalés et superposés. Lorsque le bobinage primaire, ou le stator, est connecté à une source de courant alternatif, il établit un champ magnétique en rotation à vitesse synchrone. La vitesse théorique du rotor dans un moteur à induction dépend de la fréquence de l'alimentation AC et du nombre de bobines qui composent le stator et, sans charge sur le moteur, se rapproche de la vitesse du champ magnétique rotatif. Il tourne à une vitesse constante, à moins d’utiliser un entraînement à fréquence variable.

Le plus grand avantage des moteurs à induction AC est leur simplicité. Une seule partie est en mouvement, le rotor, ce qui les rend bon marché, silencieux, durables et plutôt fiables. Les moteurs à induction peuvent être assez lourds et encombrants en raison de leurs enroulements de bobine. Les moteurs à induction triphasés sont largement utilisés dans les entraînements industriels, les ascenseurs, les grues, les machines-outils, etc., car ils sont robustes, fiables et économiques. Les moteurs à induction monophasés sont largement utilisés pour de petites charges, telles que les appareils ménagers comme les ventilateurs, pompes, mixeur, jouets, aspirateurs, machines de forage, etc.

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Moteur synchrone à aimants permanents (PMSM)

Le moteur synchrone à aimants permanents (PMSM) est un moteur synchrone en AC, qui dispose d’une forme d'onde CEM sinusoïdale et dont l'excitation du champ est fournie par des aimants permanents. Le PMSM est le croisement d’un moteur à induction et d’un moteur DC sans balais. Comme un moteur DC sans balais, il a un rotor à aimant permanent et des enroulements sur le stator. Cependant, la structure du stator ressemble à celle d'un moteur à induction, avec des enroulements construits pour produire une densité de flux sinusoïdale dans l'entrefer de la machine. Sa densité de puissance est plus élevée que celle des moteurs à induction avec les mêmes valeurs nominales, puisqu’il n'y a pas de puissance du stator dédiée à la production de champ magnétique.

Avec des aimants permanents, le PMSM peut générer un couple à une vitesse nulle, il nécessite un inverseur contrôlé numériquement pour les opérations. Les PMSM sont généralement utilisés pour les moteurs à haute performance et à haute efficacité. Le contrôle du moteur haute performance est caractérisé par une rotation fluide sur toute la plage de vitesse du moteur, un contrôle de couple à vitesse nulle et une accélération/décélération rapide.

Pour obtenir un tel contrôle, les PMSM utilisent des techniques de commande vectorielles. Les techniques de commande vectorielles sont généralement appelées commande à champ orienté (FOC, field-oriented control). L'idée générale de l'algorithme de commande vectoriel est de décomposer un courant de stator en une partie génératrice de champ magnétique et une partie génératrice de couple. Les deux composantes peuvent être contrôlées séparément après la décomposition.

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Moteur pas à pas

Un moteur pas à pas est un moteur électrique à courant continu sans balai qui divise une rotation complète en un nombre de pas de même longueur. Il tourne d'une distance incrémentielle spécifique à chaque pas. Le nombre de pas exécutés contrôle le degré de rotation de l'arbre du moteur.

Les moteurs pas à pas ont la capacité inhérente de contrôler la position, car ils disposent de pas de sortie intégrés. Cela permet de contrôler très précisément la distance et la vitesse de rotation du moteur pas à pas. Le nombre de pas que le moteur exécute est égal au nombre d'impulsions données par le contrôleur. Un pas à pas tournera à une distance et à un rythme proportionnel au nombre et à la fréquence de ses commandes d'impulsion.

Un contrôleur de moteur pas à pas peut être soit en boucle ouverte, soit en boucle fermée. La différence entre les deux est qu'un système à boucle ouverte envoie une puissance nominale constante puissance au moteur, en supposant que le champ tournant que suit le rotor est constant. Un système en boucle fermée utilise la rétroaction pour ajuster la puissance en fonction du type de charge que le moteur supporte. La plupart des applications de moteurs fonctionnent avec un système en boucle ouverte, parce qu'il est plus simple et moins coûteux.

Les moteurs pas à pas ont plusieurs avantages par rapport à d'autres types de moteurs. L'un des plus impressionnants est leur capacité à se positionner très précisément. Ils peuvent atteindre la même position cible, révolution après révolution. Les moteurs pas à pas standard ont une précision d'angle de pas de +/-5 %. Ils n’accumulent pas d'erreur pas après pas.

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Servomoteur

Un servomoteur est un actionneur rotatif ou un actionneur linéaire qui permet un contrôle de haute précision et à haute réponse de la position angulaire ou linéaire, de la vitesse et de l'accélération. En tant que moteur capable de contrôler avec précision l'angle de rotation et la vitesse de rotation, il peut être utilisé pour une variété d'équipements. Les servomoteurs sont utilisés dans des applications telles que la robotique, les machines CNC ou la fabrication automatisée, et sont généralement utilisés comme alternative performante au moteur pas à pas.

Les systèmes d'asservissement combinent un servomoteur haute performance avec un servo-amplificateur (entraînement) pour obtenir un contrôle extrêmement précis de la position, de la vitesse ou du couple. Les servos ont des engrenages intégrés et un arbre qui peut être contrôlé avec précision. Le circuit d'asservissement est construit directement à l'intérieur de l'unité moteur et dispose d'un arbre positionnable, généralement équipé d'un engrenage. Le moteur est commandé par un signal électrique qui détermine l’ampleur du mouvement de l'arbre.

Dans une commande en boucle fermée, un détecteur de rotation (codeur) est monté sur le moteur et renvoie la position/vitesse de rotation de l'arbre du driver. Le driver calcule l'erreur du signal d'impulsion ou de la tension analogique (commande de position/commande de vitesse) à partir du contrôleur et du signal de retour (position/vitesse actuelle) et contrôle la rotation du moteur pour que l'erreur devienne nulle. La méthode de contrôle en boucle fermée est réalisée avec un driver, un moteur et un encodeur, de sorte que le moteur peut effectuer des opérations de positionnement très précises. Dans un système de contrôle de position, un contrôleur entre le signal d'impulsion. La vitesse et la position d'arrêt sont ensuite contrôlées en fonction du nombre d'impulsions.

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