Comment concevoir un pilote de pompe à eau PMSM à commande FOC

1. Compréhension des caractéristiques motrices

• Paramètres du moteur :

  • Tout d'abord, il est nécessaire de bien comprendre les différents paramètres du moteur PMSM utilisé, notamment la puissance nominale, la vitesse nominale, le couple nominal, la résistance du stator, l'inductance du stator, la liaison de flux de l'aimant permanent, les paires de pôles, etc. Ces paramètres sont cruciaux pour la conception ultérieure du système d'entraînement et la sélection des algorithmes de contrôle.

  • Par exemple, des dispositifs d'alimentation appropriés peuvent être sélectionnés en fonction de la puissance nominale et de la vitesse du moteur, et la fréquence électrique du moteur peut être calculée en fonction des paires de pôles et de la vitesse nominale du moteur, de manière à sélectionner une puce de commande et une fréquence d'entraînement appropriées.

2. Sélection des dispositifs d'alimentation

• Types de tubes de commutation :

  • L'IGBT (transistor bipolaire à grille isolée) ou le MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur) est généralement utilisé comme tube de commutation principal. Pour l'entraînement des moteurs PMSM de pompes à eau de petite et moyenne puissance, le MOSFET est plus populaire en raison de sa vitesse de commutation rapide et de sa faible résistance à l'état passant. Pour les applications de forte puissance, l'IGBT peut être plus adapté, car il supporte des tensions et des courants plus élevés, mais sa vitesse de commutation est relativement plus lente.

  • Les dispositifs d'alimentation doivent être choisis en fonction de la tension et du courant nominaux du moteur, en tenant compte d'une certaine marge. En général, la tension nominale du dispositif d'alimentation choisi doit être de 1,5 à 2 fois la tension nominale du moteur, et son courant nominal de 1,2 à 1,5 fois celui-ci.

• Conception de dissipation thermique :

  • Le fonctionnement des dispositifs de puissance génère une quantité importante de chaleur, ce qui nécessite une conception efficace de la dissipation thermique. Des dissipateurs thermiques, un refroidissement par air ou par eau peuvent être utilisés. Pour les systèmes d'entraînement à forte densité de puissance, un refroidissement par eau peut être nécessaire afin de garantir que la température de jonction des dispositifs de puissance ne dépasse pas leur température nominale, évitant ainsi toute dégradation des performances, voire tout dommage dû à une surchauffe.

3. Conception du circuit d'entraînement

• Tension et courant du variateur :

  • Le circuit de commande doit fournir une tension et un courant suffisants pour assurer la conduction et la mise hors tension rapides et fiables des dispositifs d'alimentation. En général, les IGBT nécessitent une tension de commande d'environ 15 à 20 V, tandis que les MOSFET peuvent nécessiter une tension de commande de 5 à 15 V selon les modèles.

  • Le circuit d'entraînement doit être capable de fournir un courant de crête suffisamment important pour garantir que les dispositifs d'alimentation sont complètement allumés ou éteints dans un court laps de temps afin de réduire les pertes de commutation.

• Isolement:

  • Pour assurer l'isolation électrique entre le circuit de commande et le circuit de puissance, prévenir les interférences et garantir la sécurité, le circuit de commande doit généralement adopter des techniques d'isolation, telles que l'isolation par optocoupleur ou l'isolation magnétique. Le circuit d'isolation par optocoupleur est simple, mais il présente des délais de transmission et des limitations de bande passante ; l'isolation magnétique (comme l'isolation par transformateur) permet d'obtenir une vitesse de transmission et une réponse en fréquence supérieures, mais son coût peut être plus élevé.

4. Stratégie de contrôle

• Contrôle orienté champ (FOC) :

  • La FOC est l'une des stratégies de contrôle les plus couramment utilisées pour les moteurs PMSM. Elle décompose le courant statorique en une composante de courant de couple et une composante de courant de champ, permettant ainsi un contrôle précis du moteur. En FOC, des transformations de rotation (telles que la transformation de Clark et la transformation de Park) sont utilisées pour convertir le courant du système de coordonnées stationnaire triphasé en courant du système de coordonnées tournant, facilitant ainsi le contrôle.

  • La transformation des coordonnées doit être mise en œuvre avec précision en fonction des paramètres du moteur, et le courant de couple et le courant de champ doivent être contrôlés par des contrôleurs PI via un contrôle en boucle fermée pour obtenir un contrôle précis de la vitesse et du couple.

  • Par exemple, dans la région de couple constant, la sortie de couple du moteur peut être contrôlée avec précision en ajustant la composante de courant de couple ; dans la région magnétique faible, le fonctionnement à grande vitesse du moteur peut être réalisé en ajustant la composante de courant de champ.

• Contrôle sans capteur :

  • Pour certains scénarios d'application, des techniques de contrôle sans capteur peuvent être utilisées afin de réduire les coûts et d'améliorer la fiabilité du système. Parmi les méthodes courantes de contrôle sans capteur, on trouve la méthode de la force contre-électromotrice, la méthode de l'observateur en mode glissant, la méthode adaptative de référence de modèle, etc.

  • La méthode de la force contre-électromotrice est basée sur la relation entre la force contre-électromotrice du moteur et la vitesse, mais la force contre-électromotrice est faible à basse vitesse, ce qui affectera la précision de la mesure ; la méthode de l'observateur en mode glissant construit un observateur d'état du moteur pour estimer la position et la vitesse du rotor, et présente une certaine robustesse aux changements de paramètres, mais peut provoquer une gigue du système ; la méthode adaptative de référence du modèle estime la position et la vitesse du rotor via un algorithme adaptatif basé sur le modèle mathématique du moteur, l'algorithme est relativement complexe, mais présente de bonnes performances à des vitesses moyennes et basses.

5. Fonctions de protection

• Protection contre les surintensités :

  • Un circuit de protection contre les surintensités doit être installé dans le circuit d'entraînement. Lorsque le courant détecté dépasse le seuil défini, le dispositif d'alimentation doit être coupé à temps afin d'éviter tout dommage au moteur et aux dispositifs d'alimentation dû à une surintensité. Des capteurs de courant à effet Hall ou des résistances shunt peuvent être utilisés pour détecter le courant, et la protection contre les surintensités peut être assurée par des comparateurs et des circuits logiques.

  • Par exemple, lorsque le courant dépasse 1,5 à 2 fois le courant nominal, le mécanisme de protection doit être déclenché immédiatement, le signal d'entraînement doit être désactivé et un signal d'alarme doit être émis.

• Protection contre les surtensions :

  • Il inclut la protection contre les surtensions de l'alimentation et de la force contre-électromotrice du moteur. En cas de surtension de l'alimentation, un comparateur de tension peut être utilisé pour surveiller la tension d'entrée ; en cas de surtension de la force contre-électromotrice du moteur, la surveillance de la tension du bus CC et de la tension de phase du moteur permet de déterminer la surtension.

  • Lorsque le moteur décélère ou freine rapidement, une force contre-électromotrice excessive peut être générée et des mesures de protection correspondantes doivent être prises à ce moment-là, telles que l'utilisation de circuits de serrage actifs ou passifs pour limiter la force contre-électromotrice dans une plage de sécurité.

• Protection contre les sous-tensions :

  • Lorsque la tension d'alimentation est trop basse, le fonctionnement normal du système d'entraînement peut être compromis, ce qui peut affecter les performances du moteur et même entraîner des pertes de pas. Il est donc nécessaire de mettre en place une protection contre les sous-tensions. Lorsque la tension d'alimentation est inférieure à la valeur limite inférieure définie, le moteur doit être arrêté et une alarme doit être déclenchée.

6. Conception de compatibilité électromagnétique (CEM)

• Circuits de filtrage :

  • Des filtres appropriés doivent être ajoutés aux extrémités d'entrée et de sortie, par exemple en utilisant des filtres en mode commun et en mode différentiel à l'extrémité de l'alimentation d'entrée pour supprimer les interférences introduites par l'alimentation et supprimer les interférences du système d'entraînement sur le réseau électrique ; en ajoutant des inductances de filtre et des condensateurs à l'extrémité de sortie pour supprimer les harmoniques haute fréquence générées par le hachage PWM et réduire les interférences électromagnétiques avec le moteur.

  • Des filtres LC ou LCL peuvent être utilisés et des paramètres d'inductance et de condensateur appropriés doivent être sélectionnés en fonction de la puissance nominale du moteur et de la fréquence d'entraînement.

• Blindage et câblage :

  • La carte de circuit imprimé d'entraînement doit être blindée et la partie d'alimentation et la partie de commande doivent être disposées séparément pour réduire l'influence des interférences électromagnétiques sur le circuit de commande.

  • Lors du câblage, il convient de veiller à maintenir la boucle de courant aussi petite que possible, en évitant l'intersection des boucles à courant élevé et des boucles de signal, et en utilisant des fils blindés pour les signaux à haute fréquence et les conducteurs à courant élevé afin de réduire le rayonnement électromagnétique et le couplage.

Lors de la conception du variateur de moteur PMSM pour pompes à eau, il est nécessaire de prendre en compte les aspects ci-dessus de manière exhaustive et d'optimiser la conception de chaque liaison en fonction de scénarios d'application spécifiques et d'exigences de performances pour obtenir un système de variateur de moteur hautes performances, haute fiabilité et rentable.