Le choix de l’électronique pour piloter un moteur électrique ne se limite pas simplement à la typologie du moteur. Il intègre de nombreuses considérations, allant de la puissance du moteur à la nature de l’application. Chaque facteur influe sur l’architecture électronique requise pour un fonctionnement optimal. Dans cet article, nous allons examiner les différents types de moteurs électriques — moteurs à courant continu (DC), moteurs synchrones (BLDC/PMSM), moteurs asynchrones et moteurs pas-à-pas — et leurs impacts sur le choix et la conception de l’électronique.
Paramètres essentiels du choix électronique
Le choix de l’électronique dépend de nombreux paramètres : puissance du moteur, nombre de composants de puissance nécessaires, performances demandées, etc. Bien qu’il soit possible d’utiliser différents types de moteurs pour une même application, le choix optimal doit se faire en fonction de critères comme la durée de vie, le coût ou encore l’encombrement.
Notions techniques clés
Voici quelques notions à garder en tête :
- À puissance égale, un moteur Brushless est plus compact qu’un moteur DC et présente un meilleur rendement. Cela le rend idéal pour des applications où l’espace est restreint ou où l’efficacité est cruciale.
- Un moteur asynchrone est généralement plus économique pour des puissances supérieures à 1 kW. En dessous de ce seuil, son usage est moins justifié, sauf dans des applications spécifiques comme les entraînements directs sur secteur, qui simplifient l’installation en éliminant le besoin de convertisseurs supplémentaires.
- Du point de vue de la compatibilité électromagnétique (CEM), un moteur DC est plus facile à filtrer qu’un moteur triphasé (comme le Brushless ou l’asynchrone), car il n’y a que deux fils à gérer contre trois pour les autres technologies. Cependant, les moteurs DC avec balais (qui provoquent des étincelles) génèrent des perturbations électriques plus importantes et nécessitent un filtrage plus élaboré.
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Considérations environnementales et éco-conception
En matière d’éco-conception, il est important de noter que les moteurs DC, BLDC, PMSM et Pas-à-pas hybrides contiennent souvent des terres rares pour leurs aimants (sauf dans le cas des moteurs à excitation séparée utilisant des électroaimants).
De plus, les moteurs DC sont plus complexes dans leur construction, en raison de leur système balais-collecteur, et utilisent davantage de matériaux différents.
Enfin, les moteurs nécessitant une commande vectorielle, comme les moteurs asynchrones, demandent plus de ressources de calcul, ce qui peut impacter les performances globales du système et son empreinte écologique. Le choix de capteurs précis pour l’asservissement peut également réduire l’empreinte environnementale en optimisant le fonctionnement du moteur.
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Contrôleurs de puissance et complexité de pilotage
La typologie du moteur détermine les capacités de calcul nécessaires au microcontrôleur qui le pilote. Plus le moteur est complexe à gérer, plus le microcontrôleur doit être performant pour assurer un contrôle précis.
Voici comment cela se décompose selon le type de moteur :
- Moteur DC (courant continu) : l’un des plus simples à piloter, un microcontrôleur de base peut suffire.
- Moteur Brushless (BLDC/PMSM) : un peu plus complexe, ce moteur utilise plusieurs phases (généralement trois), ce qui implique que le microcontrôleur doit synchroniser la commutation des phases pour faire tourner le rotor.
- Moteur asynchrone : c’est le moteur qui demande le plus de ressources en termes de calcul, notamment lorsqu’il est piloté en commande vectorielle.
En fonction de la complexité de la commande, le coût des microcontrôleurs varie considérablement : comptez 0,5 € pour un piloter un petit moteur DC et plus de 10 € pour pouvoir piloter de façon performante un moteur asynchrone.
L’impact de la typologie de moteur sur l’électronique en fonction des cas d’usage
Du plus simple au plus complexe, prenons deux grands cas d’usage et observons l’impact du type de moteur sur l’électronique.
Cas d’usage #1 : Entraînement d’une pompe
Prenons l’exemple d’une application simple : l’entraînement d’une pompe avec un seul sens et qui ne nécessite pas de freinage. Dans ce cas, le choix du moteur influence directement les composants électroniques nécessaires :
- Moteur DC : c’est l’option la plus simple. Il suffit de 2 composants de puissance pour contrôler le courant qui alimente le moteur, 1 driver pour piloter ces composants, et un microcontrôleur basique pour gérer le tout.
- Moteur Brushless : ce moteur utilise trois phases pour fonctionner, ce qui nécessite 6 composants de puissance (3 phases × 2). Il faut également 3 drivers pour gérer ces composants et un microcontrôleur un peu plus performant pour synchroniser les phases du moteur.
- Moteur asynchrone : comme le Brushless, il nécessite 6 composants de puissance et 3 drivers, mais son contrôle est plus complexe. Un microcontrôleur plus puissant est requis pour piloter ce type de moteur.
- Moteur pas-à-pas : ce type de moteur n’est généralement pas adapté pour l’entraînement d’une pompe. Si vous deviez l’utiliser, il demanderait 8 composants de puissance et 4 drivers, ainsi qu’un microcontrôleur plus complexe que celui du moteur Brushless.
Dans ce cas précis, le moteur DC est le plus simple à piloter, mais il a une durée de vie plus courte, ce qui peut limiter son intérêt à long terme.
Le moteur Brushless, bien que plus complexe, peut fonctionner plus longtemps et offrir de meilleures performances dans le temps.
Enfin, bien que plus compliqué à piloter, le moteur asynchrone reste une option valable grâce à l’utilisation du mode V/f, qui simplifie sa commande pour des applications basiques comme l’entraînement d’une pompe.
Cas d’usage #2 : Commande d’axes en position
Prenons désormais un cas d’usage plus complexe. Dans ce scénario, le moteur doit être capable de tourner dans les deux sens et de freiner pendant certaines phases.
Chaque type de moteur aura un impact différent sur l’électronique à utiliser :
- Moteur DC : pour cette configuration, il faudra 4 composants de puissance (2 pour chaque sens de rotation) et 2 drivers pour les contrôler. Un capteur de position est également nécessaire pour suivre précisément les mouvements du moteur, ainsi qu’un microcontrôleur relativement performant pour gérer le tout. Il peut également être nécessaire d’ajouter une résistance de freinage pour dissiper l’énergie lors des phases de freinage, afin d’éviter une surchauffe ou des dommages au système.
- Moteur Brushless : vous aurez besoin de 6 composants de puissance (comme dans le cas d’une pompe), mais le microcontrôleur devra être plus complexe pour synchroniser les phases et gérer les capteurs, qui peuvent parfois être intégrés directement dans le moteur. Une résistance de freinage sera aussi requise pour évacuer l’énergie générée lors du freinage.
- Moteur asynchrone nécessite 6 composants de puissance et 3 drivers. Cependant, le microcontrôleur devra être très puissant, car il devra non seulement gérer la commande vectorielle, mais aussi traiter les données provenant d’un capteur de position très précis. Une résistance de freinage est également nécessaire.
- Moteur pas-à-pas utilise 8 composants de puissance et 4 drivers pour contrôler précisément les mouvements. Un microcontrôleur complexe est nécessaire, mais, contrairement aux autres moteurs, le moteur pas-à-pas n’a pas besoin de capteur de position pour atteindre une grande précision.
Pour des applications de commande d’axes en position, le moteur pas-à-pas est souvent la solution privilégiée. Il est particulièrement adapté aux applications nécessitant une grande précision, comme les imprimantes, les machines d’impression 3D ou les machines-outils. Son avantage majeur est la simplicité de commande pour des mouvements très précis sans avoir besoin de capteurs externes.
Cependant, si les puissances augmentent considérablement, les moteurs pas-à-pas peuvent montrer leurs limites en termes de rendement énergétique. Dans ce cas, il est préférable d’opter pour un moteur asynchrone ou un moteur Brushless plus puissant, équipé de capteurs pour améliorer la précision du contrôle.
Un inconvénient du moteur pas-à-pas à noter : son rendement est généralement inférieur à celui des autres types de moteurs. Cependant, ce défaut peut être partiellement compensé par un pilotage avancé, similaire à une commande vectorielle, qui permet d’adapter le courant au besoin pour améliorer l’efficacité énergétique.
Il n’existe pas de solution universelle pour choisir le bon moteur. Chaque application nécessite une analyse spécifique en fonction des contraintes de coût, de performance et d’encombrement. Pour faire le meilleur choix, vous pouvez faire confiance à l’expertise des ingénieurs de Cats Power Design, spécialisés dans les solutions électroniques sur-mesure. Besoin d’en savoir plus ? Contactez-nous !
