Courant de phase Moteur Brushless

[lbk]

Bonjour,

Dans le cadre d'un projet, je dois réaliser la commande d'un moteur Brushless Autopiloté.
J'utilise pour cela un contrôleur moteur classique avec des capteurs à effet Hall.

Lors de mes premiers tests je me suis aperçu que les composants de mon onduleur chauffaient beaucoup trop (mosfets et condensateur d'entrée)
En effet il atteigne une température de 120° en moins d'une dizaine de minute (avec dissipateur).

J'ai alors regardé mes courants : sur le bus DC et sur une des phases de l'onduleur.
Et là surprise, pour 40A sur l'alim j'obtiens un courant efficace de 120A sur une des phases avec un courant crête de 170A (cf. image jointe)

Cette différence entre le courant DC et RMS phase est surement due au rapport cyclique (30%) qui provoque une chute de tension de phase

Les données de mes essais sont les suivants :
Couple : 1.5N.m
Vitesse: 4500RPM
Tension BUS DC = 28V
PWM : 30%

Au niveau de ma commande, tout est normal, et les formes de tensions obtenues également.

Les caractéristiques du moteur utilisé sont les suivantes
R phase : 1mOhm
L phase : 4µH
Kt =0.00677
Ke = 0.00677

Je pense donc que le moteur à une inductance trop faible (d'ou les forts courants).
J'aimerai connaitre l'influence de R et L (par phase) sur l'ondulation de courant et sur la valeur efficace du courant de phase.

Après des recherches je n'arrive pas a trouver cette relation, qui pourrait m'aider a éventuellement à changer de moteur.

Quelqu'un a t il une idée?

Merci d'avance,
-----

[Qristoff]

Bonsoir,

Je pense donc que le moteur à une inductance trop faible (d'ou les forts courants).

C'est tout à fait ça !
La relation est simple, c'est la constante de temps électrique de ton moteur L/r !
Quel contrôleur utilises tu ?

[lbk]

J'utilise l'UCC2626 de chez motorola

Peux-tu être un peu plus précis concernant la relation entre la constante de temps, Ieff (par phase) et éventuellement d'autres variables du moteur?

Merci d'avance

[Qristoff]

y'a pas d'autres variables... l'inductance et la résistance moteur crée un constante de temps qui s'oppose à la croissance dur courant dans le bobinage, si la self est trop faible, le courant tend à croitre trés vite durant l'impulsion de tension.
Tu peux essayer d'augmenter la fréquence PWM pour réduire les temps de conduction.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Tropique]

Je ne suis pas expert en brushless, mais je pense que le problème a peu à voir avec l'inductance ou la résistance du moteur: il semble qu'il y ait un important courant de circulation entre phases, l'équivalent d'un courant réactif. Je pense que le moteur travaille à la manière d'un compensateur synchrone, parce que le controleur le force à tourner trop lentement par rapport à la fcém et à la charge, ce qui impose des échanges d'énergie importants à chaque cycle.

[lbk]

@ tropique, pour toi c'est le mode de commande qui n'est pas adapté à la machine? les commutations gérées par le contrôleur sont pourtant calées sur les retours des capteurs à effet Hall. J'ai vérifié la position des 3 capteurs, ils sont en phase avec le passage à zéros de la fcem de la phase correspondante.

@Qristoff, pour toi, je dois trouver un moteur ayant une inductance plus importante.
Dois-je également augmenter un petit peu R (moins que L afin d'augmenter la constante) de manière à réduire les courants statoriques et d'augmenter mon pWM (de 30 à 90%) afin de fonctionner en "pleine onde" (et de réduire les pertes de l'onduleur dues aux diodes pendant le blocage des mosfets)?

[Qristoff]

Je t'assures que ça n'est lié qu'à la valeur trop faible d'inductance, c'est un problème trés récurrent qui oblige à faire un compromis entre coefficient de couple et vitesse maxi du moteur.
Si on augmente la self, le Kc se réduit et on est obligé d'envoyer plus de courant moyen pour obtenir le même couple, par contre on a moins d'ondulation de courant.

[Qristoff]

@Qristoff, pour toi, je dois trouver un moteur ayant une inductance plus importante.
Dois-je également augmenter un petit peu R (moins que L afin d'augmenter la constante) de manière à réduire les courants statoriques et d'augmenter mon pWM (de 30 à 90%) afin de fonctionner en "pleine onde" (et de réduire les pertes de l'onduleur dues aux diodes pendant le blocage des mosfets)?

Le probléme que l'on rencontre assez souvent est que l'on commande en mode trapèze un moteur qui est prévu pour être piloté en SVM et du coup la fem n'a pas la forme attendue.
La seule solution facile à mettre en oeuvre est d'augmenter la fréquence PWM de façon à réduire l'ondulation.
Pour les pertes onduleurs, je ne sais pas si il est base de mosfet ou d'iGBT mais il faut que tu calcules les pertes par conduction et les pertes par commutation, ainsi tu pourras choisir des transistors mieux adaptés.

[Tropique]

Dois-je également augmenter un petit peu R (moins que L afin d'augmenter la constante) de manière à réduire les courants statoriques et d'augmenter mon pWM (de 30 à 90%) afin de fonctionner en "pleine onde" (et de réduire les pertes de l'onduleur dues aux diodes pendant le blocage des mosfets)?

A quelle fréquence de PWM travailles-tu, ce n'est pas visible sur les oscillogrammes.

Si on augmente la self, le Kc se réduit et on est obligé d'envoyer plus de courant moyen pour obtenir le même couple, par contre on a moins d'ondulation de courant.

Là, il y a quelque chose qui me fait tiquer: en première approximation, le couple n'est lié qu'au courant moyen.

Vu la faible valeur d'inductance, il est relativement facile de l'augmenter pour les tests: il suffit d'insérer dans chaque phase une bobine de fortune, une vingtaine de tours de 16² sur un diamètre d'une quinzaine de cm.

[lbk]

Je fonctionne à base de mosfets, et dans le calcul des pertes @30% de PWM c'est les diodes internes qui prennent.
En revanche, je n'ai pas bien saisi quand tu parles d'une augmentation du courant moyen avec la self.

Je m'explique : ce que je recherche, c'est un moyen de réduire le courant RMS par phase plutot que l'ondulation de courant...
Si j'arrive à réduire les deux, ce serait le top!
Je cherche également un moyen d'augmenter le PWM pour un fonctionnement à la même vitesse et même couple.

[lbk]

je fonctionne @ 25KHz

[Tropique]

je fonctionne @ 25KHz

Compte tenu des paramètres du moteur (à l'estime, sans calcul détaillé), cela me parait trop faible.

[lbk]

Quand j'augmente la fréquence @50KHz, les mosfets de découpage (lowside) chauffent beaucoup plus (surement dues aux pertes par commutation)... Je n'ai donc pas explorer cette piste plus loin.

[jacounet86]

Salut IBK.

Sur ton premier post , le graphique de droite ,il me semble que ton signal comporte beaucoup d'osccillations HF...non ?
Je ne connais pas les oscillogrammes standards d'une telle application , mais il me semble que tu as beaucoup trop d'oscillations HF ,probablement dû au faible L...comme tu le dit et dise les autres postants.
Peut-être un fréquence de travaille proche de 100KHz, serait peut-être souhaitable pour le moteur...maintenant ton électronique est-elle faite pour celà.
Sur ce type de montage est-il prévu des petites capacités antiparasites(environ 10pF) en // sur les bobines moteur celà enléverait sans doute les oscillations HF qui te pompent sans doute de la puissance et font chauffer tes MOS qui sont meilleurs en commutation pour ce type d'utilisation.Toute oscillation HF parasite ( donc bien sinusoïdale) est une plaie pour ces montages .Est-ce le cas , ou ton montage n'est-il pas plus parasité que d'autres...?
Je sais pour avoir vu mes collègues des études s'arracher les cheveux sur le sujet , qu'un couple électronique/moteur est quasiment unique...ils travaillaient aussi avec des capteurs à effet Hall , ...
Les nouveaux modèles utilisant les enroulements qui ne sont pas ( momentanément) utilisés comme capteurs de position, semble poser moins de problèmes.
Une question combien de bobines moteur as-tu? .. Un multiple de 3 probablement .
Peux-tu envoyer un schémas de l'électronique s'il n'y-a pas de secret industriel , et de tes branchements.
Ca peut éclairer tout le monde.
Faut-il utiliser l'ensemble moteur électronique avec le moins de longueur de fil possible, c'est à dire l'électronique au plus près du moteur ...???
Pour ma part je connais les pbs HF , et j'ai travaillé sur des hacheurs MOS pour moteurs classiques en amateur... Donc je te suis probablement que de peu d'utilité .
Salut . Jacounet .

[Qristoff]

Quand j'augmente la fréquence @50KHz, les mosfets de découpage (lowside) chauffent beaucoup plus (surement dues aux pertes par commutation)... Je n'ai donc pas explorer cette piste plus loin.

Tu peux nous donner ton schéma d'un bras de pont et les références des Mosfet HS et LS (si ce n'est pas les même), la réf des drivers, bref un peu plus d'infos...
Infinéon avait publié un white paper qui permet d'évaluer les pertes en conduction et en commutation appliquées à différentes applications. Généralement, les mosfet ont une diode de body aux performances exécrables et il est souvent nécessaire de les doubler par des diodes rapides, c'est ton cas ?
Le choix des mosfet sur leurs perfos (pas seulement RDSon !) est super important pour le bilan de puissance !

[lbk]

@ Qristoff je t'envoi ca dès que je peux mais là je ne suis pas chez moi. Pour les drivers ce sont de LM5101 et les mosfets des IRFB3006. (4 par bras de ponts)
Sur les grilles jai du 5R6 avec en parrallèle diode + résistance de 1R pour améliorer la mise au blocage. En revanche je n'ai pas de schottky en parallèle des mos.

@Jacounet je doit avoir 6 bobines, 3 par paire de pole. Je pourrai éventuellement raccourcir le câblage des phases vers la carte Elec...


Pensez-vous que les ondulations de courants sont les principales causes de l'échauffement? J'aurai plutot tendance à penser que c'est la valeur du RMS et des courants de crêtes (moyen : sans les ondulations) qui produisent autant de pertes.

[Qristoff]

Quand j'augmente la fréquence @50KHz, les mosfets de découpage (lowside) chauffent beaucoup plus (surement dues aux pertes par commutation)... Je n'ai donc pas explorer cette piste plus loin.

J'ai regardé les caractéristiques de tes mos et effectivement, ils ont des temps de commutation (tr et tf) assez long par rapport à la moyenne ce qui pénalise les pertes en commutation, bien supérieures à la perte par conduction. Ce qui explique qu'ils chauffent plus fort en augmentant la fréquence.
Par contre, les caractéristiques de la diode sont trés bonnes (Qrr faible) et tu n'obtiendras pas mieux en mettant une diode en paralléle.

[jacounet86]

Salut IBK .
Je confirme ce que dis Qristoff, le rise time (tr) est de 182 ns , et le fall time (tf) de 189 ns ,ce qui est un peu faible comparé à ce qui se fait de mieux , même chez IRF.L'avantage de ce MOS , son fort courant max : 195 A.Moteur à faible L donc fonctionnant sous commutation 25kHz et ton électronique avec des MOS Hexfet qui en temps trainent pour monter et desendre , environ 0.2 us .Si tu as 1% de pertes thermiques dû à une commutation trop juste , vu la puissance de ton moteur , ça peut se comprendre .Commutaion à 25kHZ sur selfs qui ont un temps de réponse faible, dû à L faible , entraîne sans doute en plus une oscillation parasite au bornes des dites selfs , ce que l'on voit sur ton oscillogramme . Pertes par commutation plus pertes par oscillations parasites,anormales dans ton montage ; plus pertes normales par conduction égal sans doute fort échauffement ...
Solution rapide...sans se creuser les méninges , augmenter la taille des radiateurs ...
Autre solution plus technique : changer les MOS .
Si tu as 1 m de fil entre moteur et électronique , même à 25KHz ( on est en signal carré avec une pente à 1% au pif , donc presque comme si on avait du 2.5MHz sinus) , attention les pertes et le rayonnement électromagnétique à fortes puissances ...
Bon ça n'engage que moi ...A vérifier donc .
Jacounet.