Demosciences 2017

Démosciences
Les moteurs brushless
Activités proposées par :
Marc Derumaux, professeur au lycée St Louis,
Damien Iceta, professeur au lycée Gustave Eiffel,
Florent Le Bourhis, professeur au lycée Janson de Sailly,
Gilles Moissard, professeur au lycée Janson de Sailly,
David Violeau, professeur au lycée Janson de Sailly
L'ambition du stand Démosciences
2009 – 2017,
Stand Bénévole,
Sous forme de mini-TP
Objectif :
Proposer des animations en marge de nos enseignements,
permettant de s'approprier des compétences transversales.
●
●
Se faire plaisir !
L'ambition du stand Démosciences
STI – Sciences et Techniques Industrielles, une discipline qui
évolue avec les technologies.
Les systèmes tendent vers du pluritechnique : tirer parti des
compétences de chacun pour gagner en transversalité.
L'UPSTI soutient les professeurs dans leur démarche de veille
technologique et pédagogique.
Démosciences 2017 :
Les moteurs Brushless
Les technologies des actionneurs évoluent ; le moteur CC est
progressivement remplacé par des moteurs Brushless.
La machine synchrone est arrivé au programme de PT et au
programme de physique de PSI...
Démosciences 2017 :
Les moteurs Brushless
Les catégories de moteurs...
Moteur à
courant continu
Moteur Electrique
Moteur
universel
Moteur à
courant alternatif
Moteur
Brushless
BLDC
Moteur
Synchrone
Moteur
synchrone
auto-piloté
Moteur
Asynchrone
Moteur
pas à pas
Moteur
BLDC
avec capteurs
Moteur
BLDC
sans capteur
Démosciences 2017 :
Les moteurs Brushless
TP1 : Asservissement de
poussée d'une hélice
TP2 : Commande d'un moteur
Brushless
Article sur le RNR :
Document théorique, TP1, TP2,
Toolbox Scilab-SIMM
Principe de fonctionnement
Bobine A
Entrefer
S
Aimants
N
Armature du
stator
Rotor
Bobine A
Des aimants sur le rotor, trois bobines sur le stator.
Nombre de paires de pôles : caractéristique cinématique.
Principe de fonctionnement
N
S
Système logique
de commutation
Commande des transistors
Informations capteurs
Trois bobines génèrent un champ tournant que l'aimant du rotor
tend à suivre.
Principe de fonctionnement
Trois bobines génèrent un champ tournant que l'aimant du rotor
tend à suivre.
TP1 : Asservissement de poussée
Objectif : Mettre en œuvre un moteur brushless équipé
de son ESC du commerce dans le cadre d'un
asservissement.
TP1 : Asservissement de poussée
Commande de l'ESC : par MLI de type Servomoteur
Vérification
à l'oscillo
TP1 : Asservissement de poussée
Difficultés :
La calibration de l'ESC en phase d'initialisation,
L'ampérage absorbé,
Puissance non négligeable du rotor.
Courbes mesurées à l'oscillo :
Phase à 12V
Phase à 0V
Phase intermédiaire
(FCEM)
Déphasage de 120°
entre les phases
TP1 : Asservissement de poussée
Courbes mesurées à l'oscillo en sortie d'ESC :
Calibrage 47-140 ; Consigne de 60
TP1 : Asservissement de poussée
Courbes mesurées à l'oscillo en sortie d'ESC :
Calibrage 47-140 ; Consigne de 120
TP1 : Asservissement de poussée
Courbes mesurées à l'oscillo en sortie d'ESC :
Calibrage 47-140 ; Consigne de 139
TP1 : Asservissement de poussée
Asservissement de poussée
Prise en compte de la mesure de poussée par le
capteur à jauge extensométrique.
Programmation de l'asservissement :
●En C sur l'interface Arduino
●En Python par la toolbox py2duino
TP2 : Commande d'un moteur brushless
Objectif : Entrer dans la commande de l'onduleur pour
comprendre le pilotage d'un moteur brushless.
Deux types de commandes :
●BLDC (avec capteurs)
●Machine synchrone auto-pilotée
Support : Moteur de CD-Rom
Très faible coût
Présence des capteurs
Peu de puissance (qque Ampères)
Onduleur DIY
A base de transistors Darlington
TP2 : Commande d'un moteur brushless
Type BLDC
Mesure des capteurs et commutation réalisée par Arduino UNO
Pas à pas 60°
Champ tournant
en BO
N
Champ tournant
BLDC
S
Modulation PWM
Asservissement
de vitesse
Système logique
de commutation
Commande des transistors
Informations capteurs
TP2 : Commande d'un moteur brushless
Type machine synchrone auto-pilotée
Mesure du codeur et génération des sinusoïdes par Arduino M0
Pas à pas 1°
Champ tournant en
BO
N
Champ tournant
avec tension pilotée
orthogonalement
Asservissement de
vitesse
S
Système logique
de commutation
Commande des transistors
Informations capteurs
L'asservissement d'intensité n'a pas été réussi… Ce sera pour une
prochaine fois.
Modélisation d'un moteur Brushless
Moteur électrique :
●Phénomènes électriques
●Phénomènes mécaniques
●Phénomènes magnétiques qui débouchent sur les constantes
magnétiques Kt et Ke.
Modélisation d'un circuit magnétique
N
S
Grandeur flux : intensité → flux magnétique
Grandeur potentielle : tension → force magnéto-motrice f=n.i
Modélisation d'un moteur Brushless
Flux de l'aimant à travers la bobine A du moteur
Pour cette position du rotor
la totalité du flux de l'aimant
passe dans la bobine. Le
flux est maximal.
L'aimant peut être
magnétisé suivant une
répartition constante ou
sinusoïdale.
S
N
M
S
N
M
M
S
N
Modélisation d'un moteur Brushless
Flux de l'aimant à travers la bobine A du moteur
Pour cette position du rotor
une partie seulement du
flux de l'aimant passe dans
la bobine. Le flux évolue
avec l'angle.
Évolution du flux linéaire ou
sinusoïdale selon l'aimant.
Dérivée du flux constante
a
k
ou sinusoïdale e (θ)
S
N
M
S
N
M
N
S
M
Idem pour Kt avec la force de Laplace
Modélisation d'un moteur
Brushless Type BLDC
N
Équation électrique :
2 bobines en série
Équation mécanique :
Somme des 2 couples
N
Modélisation d'un moteur Brushless
Type BLDC
Modélisation par schéma bloc :
Limites du modèles et hypothèses...
Modélisation d'un moteur Brushless
Type Sinusoïdal
Hypothèse des régimes sinusoïdaux stationnaires.
Nécessite une expression sous forme de complexes :
●Des fonctions du temps sinusoïdales (Laplace avec p=jw)
●Des vecteurs dans le plan
Débouche sur le modèle à une phase équivalente et le
diagramme de Fresnel.
Modélisation d'un moteur Brushless
Type Sinusoïdal
Modélisation par schéma bloc :
Limites du modèles et hypothèses...
Toolbox Scilab SIMM – Moteurs
Modélisation de différents actionneurs :
●moteur CC,
●servo-moteur,
●moteur pas-à-pas,
●moteur brushless (BLDC et Sinus).
Toolbox Scilab SIMM – Moteurs
Cas du moteur Brushless soumis à un « échelon de tension »
Angle de l'arbre
Tension de
commande
Vitesse de l'arbre
(similaire moteur CC)
Toolbox Scilab SIMM – Moteurs
Les équations physiques du bloc sont écrites au format
modélica (modélisation acausale) :
●Lois des mailles
●Loi des nœuds
●Couplages magnétiques
●Principe fondamental de la dynamique
va=R*pa.i+der(phia);
vb=R*pb.i+der(phib);
vc=R*pc.i+der(phic);
pa.i+pb.i+pc.i=0;
phia=L*pa.i+M*(pb.i+pc.i)+phif.signal*cos(thetae);
phib=L*pb.i+M*(pa.i+pc.i)+phif.signal*cos(thetae-2*pi/3.);
phic=L*pc.i+M*(pa.i+pb.i)+phif.signal*cos(thetae-4*pi/3.);
w=der(theta);
a=der(w);
J*a=p*phif.signal*(sin(thetae)*pa.i+sin(thetae2*pi/3.)*pb.i+sin(thetae-4*pi/3.)*pc.i)+flange_b.tau;
Toolbox Scilab SIMM – Bloc Générique
Création d'un bloc générique permettant très facilement
d'implanter vos propres équations en Modélica !
●
Définition des paramètres d'entrée/sortie
●
Définition des paramètres du modèle
●
Définition des équations (Modélica)
Exemple : résistance chauffante
Conclusions
Session Démosciences 2017 Réussie !
Merci à tous ceux qui sont venus participer, qui nous ont
simplement rendu visite ou qui nous ont envoyé des messages de
sympathie !
Nous avons pris beaucoup de plaisir à approfondir le domaine des
moteurs Brushless, y compris d'un point de vue expérimental.
Les manips comme les éléments théoriques sont tout à fait
accessibles à un mécanicien s'il s'y penche sérieusement…
Le dossier RNR sera disponible d'ici juin !
Démosciences est ouvert à tous :
Si vous avez une bonne idée, et que vous cherchez une bonne
occasion de la mettre en œuvre, n'hésitez pas à engager une
session Démosciences !