Comment Fonctionnent les Moteurs Brushless DC et les ESC - Aperçu Technique

Dans ce tutoriel, nous allons apprendre comment fonctionnent le moteur brushless et l'ESC. Cet article est la première partie de la vidéo suivante, où nous apprendrons le principe de fonctionnement d'un moteur brushless DC et d'un ESC (Contrôleur de Vitesse Électronique), et dans la deuxième partie, nous apprendrons comment contrôler un moteur BLDC avec Arduino.

Vous pouvez regarder la vidéo suivante ou lire le tutoriel écrit ci-dessous.

Comment Cela Fonctionne

Un moteur BLDC se compose de deux parties principales : un stator et un rotor. Pour cette illustration, le rotor est un aimant permanent à deux pôles, tandis que le stator se compose de bobines disposées comme montré sur l'image ci-dessous.

Nous savons tous que si on fait passer du courant dans une bobine, elle génère un champ magnétique et les lignes de champ magnétique ou les pôles dépendent de la direction du courant.

Donc, si on applique le courant approprié, la bobine générera un champ magnétique qui attirera l'aimant permanent du rotor. Maintenant, si on active chaque bobine l'une après l'autre, le rotor continuera de tourner à cause de l'interaction de force entre l'aimant permanent et l'électroaimant.

Pour augmenter l'efficacité du moteur, on peut bobiner deux bobines opposées en une seule bobine de manière à générer des pôles opposés à ceux du rotor, obtenant ainsi une force d'attraction double.

Avec cette configuration, on peut générer six pôles sur le stator avec seulement trois bobines ou phases. On peut encore augmenter l'efficacité en alimentant deux bobines en même temps. Ainsi, une bobine attirera et l'autre repoussera le rotor.

Pour que le rotor fasse un cycle complet de 360 degrés, il a besoin de six étapes ou intervalles.

Si on regarde la forme d'onde du courant, on remarque que dans chaque intervalle, il y a une phase avec courant positif, une phase avec courant négatif et la troisième phase est coupée. Cela donne l'idée qu'on peut connecter les points libres de chacune des trois phases ensemble et ainsi partager le courant entre elles ou utiliser un seul courant pour alimenter deux phases en même temps.

Voici un exemple. Si on met la phase A à l'état Haut (la connecte à la tension DC positive) avec un commutateur, par exemple un MOSFET, et de l'autre côté, on connecte la phase B à la masse, alors le courant circulera de VCC, à travers la phase A, le point neutre et la phase B, vers la masse. Ainsi, avec un seul flux de courant, on a généré quatre pôles différents qui font bouger le rotor.

Avec cette configuration, on a en fait une connexion en étoile des phases du moteur, où le point neutre est connecté en interne et les trois autres extrémités des phases sortent du moteur, et c'est pourquoi les moteurs brushless ont trois fils qui en sortent.

Donc, pour que le rotor fasse un cycle complet, il suffit d'activer les deux MOSFETs corrects dans chacun des 6 intervalles, et c'est exactement ce que font les ESC.

Comment Fonctionne un ESC (Contrôleur de Vitesse Électronique)

Un ESC ou Contrôleur de Vitesse Électronique contrôle le mouvement ou la vitesse du moteur brushless en activant les MOSFETs appropriés pour créer le champ magnétique tournant afin que le moteur tourne. Plus la fréquence est élevée ou plus l'ESC passe vite à travers les 6 intervalles, plus la vitesse du moteur sera élevée.

Cependant, voici une question importante : comment sait-on quand activer quelle phase ? La réponse est qu'il faut connaître la position du rotor et il y a deux méthodes courantes pour déterminer la position du rotor.

La première méthode courante utilise des capteurs à effet Hall intégrés dans le stator, disposés à 120 ou 60 degrés les uns des autres.

Alors que les aimants permanents du rotor tournent, les capteurs à effet Hall détectent le champ magnétique et génèrent un "haut" logique pour un pôle magnétique ou un "bas" logique pour le pôle opposé. Selon cette information, l'ESC sait quand activer la prochaine séquence de commutation ou intervalle.

La deuxième méthode courante pour déterminer la position du rotor est la détection de la force électromotrice de retour ou back EMF. Le back EMF se produit comme résultat du processus exactement inverse de la génération d'un champ magnétique, ou quand un champ magnétique mobile ou changeant passe à travers une bobine, il induit un courant dans la bobine.

Donc, quand le champ magnétique mobile du rotor passe à travers la bobine libre (celle qui n'est pas active), il induira un flux de courant dans la bobine et, par conséquent, une chute de tension se produira dans cette bobine. L'ESC capture ces chutes de tension au fur et à mesure qu'elles se produisent et, basées sur elles, prédit ou calcule quand le prochain intervalle doit avoir lieu.

Voilà le principe de base de fonctionnement des moteurs brushless DC et des ESC, et c'est le même même si on augmente le nombre de pôles du rotor et du stator. On aura toujours un moteur triphasé, seul le nombre d'intervalles augmentera pour compléter un cycle complet.

On peut aussi mentionner que les moteurs BLDC peuvent être des inrunners ou des outrunners. Un moteur brushless inrunner a les aimants permanents à l'intérieur des électroaimants, et vice versa, un moteur outrunner a les aimants permanents à l'extérieur des électroaimants. Encore une fois, ils utilisent le même principe de fonctionnement et chacun a ses propres forces ou faiblesses.

OK, assez de théorie, maintenant démontrons et voyons en vrai ce qu'on a expliqué plus haut. Pour cela, nous allons connecter les trois phases d'un moteur brushless à un oscilloscope. J'ai connecté 3 résistances en un point unique pour faire un point neutre virtuel et de l'autre côté, je les ai connectées aux trois phases du moteur BLDC.

La première chose qu'on remarque ici sont les trois ondes sinusoïdales. Ces ondes sinusoïdales sont en fait le back EMF généré dans les phases quand elles ne sont pas actives.

On voit que quand on change le RPM du moteur, la fréquence des ondes sinusoïdales change ainsi que leur amplitude. Plus le RPM est élevé, plus la fréquence et l'amplitude des ondes sinusoïdales de back EMF sont élevées. Cependant, ce qui entraîne le moteur sont en fait ces pics, qui sont les phases actives qui génèrent le champ magnétique changeant.

On remarque qu'à chaque intervalle, il y a deux phases actives et une inactive. Par exemple, ici on a la phase A et B actives, tandis que la phase C est inactive. Puis on a la phase A et C actives, tandis que la phase B est inactive, et ainsi de suite.

Ici, je voudrais saluer Banggood.com pour m'avoir fourni cet oscilloscope. C'est le Rigol DS1054Z et c'est l'un des meilleurs oscilloscopes d'entrée de gamme pour son prix. Il a quatre canaux d'entrée, 50 MHz de bande passante (hackable à 100 MHz), un taux d'échantillonnage de 1 GSa/s et une profondeur de mémoire relativement grande de 24 Mpts.

L'affichage est de 7 pouces et il est vraiment sympa et lumineux. Il propose diverses fonctions mathématiques, filtres passe-bas et passe-haut, décodage SPI et I2C et bien plus. Encore merci à Banggood.com et assurez-vous de jeter un œil à cet oscilloscope dans leur boutique.

Néanmoins, c'est le principe de base du fonctionnement du moteur brushless. Si vous voulez plus d'exemples réels et apprendre à contrôler les moteurs brushless avec Arduino, consultez la partie deux de ce tutoriel.

J'espère que vous avez apprécié ce tutoriel et appris quelque chose de nouveau. N'hésitez pas à poser vos questions dans la section commentaires ci-dessous et n'oubliez pas de consulter ma collection de projets Arduino.