Conception de la commande et du traitement de signal

Dans cette section, une justification du choix des composants pour réaliser la commande du moteur MSAP sera effectuée.

Choix du microcontrôleur

Tout d’abord, il est bon de faire un rappel des besoins pour mieux cibler la recherche du microcontrôleur. La tâche principale, que devra réaliser ce dernier, est de calculer les commandes vectorielles qui seront appliquées aux MOSFETs, en fonction des courants de sortie. Ce qui implique d’utiliser un microcontrôleur DSP, qui est plus rapide pour réaliser des calculs. Le fait d’avoir un protocole CAN va venir limiter la recherche, puisque les microcontrôleurs intégrant cette communication sont moins nombreux. Pour les autres besoins, la plupart des manufacturiers proposent maintenant des microcontrôleurs intégrants des périphériques ADC, I2C et SPI, qui seront respectivement utilisés pour relever les courants et tensions, communiquer avec l’accéléromètre et enregistrer des données dans une mémoire externe.

De plus, il faut savoir que la commande de moteur n’est pas nouvelle et que certaines compagnies, telles que Texas Intruments, proposent des microcontrôleurs dédiés à la commande vectorielle de moteur MSAP. Cette compagnie propose plusieurs exemples d’implantation de commande vectorielle et offre un bon soutien technique avec des notes d’application, pour aider le développement de la programmation. D’ailleurs, l’une d’entre elles propose de commander le moteur sans retour d’information, c’est-à-dire : en utilisant seulement deux capteurs de courant, plutôt que d’utiliser les capteurs de position du moteur. Dans cette note d’application, faite par TI (Bilal Akin (2013)), ils utilisent un microcontrôleur de la famille C2000.

Conception des capteurs de courant

Il existe deux principales familles de capteurs de courant : la première utilise une résistance en série, où la tension différentielle est proportionnelle au courant qui la traverse, tandis que la seconde est dite sans contact, qui mesure le champ magnétique autour d’un fil ou d’une trace, avec des technologies à effet Hall. Respectivement, la résistance va poser des problèmes de dissipation thermique et la mesure du champ magnétique est souvent volumineuse, puisqu’il faut utiliser des ferrites. Cependant, des capteurs combinent les deux familles en intégrant : une résistance série de très faibles valeurs et un capteur par effet hall, pour venir mesurer le champ magnétique aux alentours de cette résistance. Tel est le cas du capteur ACS711KEXLT31AB-T de la compagnie Allegro, qui intègre une résistance série de 0,6mΩ, qui va dissiper une puissance de 0,06W pour un courant de 10A. Ce capteur est un bon compromis pour faire circuler de la puissance dans un petit espace, sans venir ajouter des contraintes de puissance. Cependant, il ne faut pas oublier que ce capteur ne possède pas de blindage magnétique, ce qui peut être problématique s’il est soumis à un champ magnétique externe.

Conception des filtres actifs

Contrairement aux filtres passifs, les filtres actifs sont capables d’avoir un gain ajustable, compensant l’atténuation causée par le filtre et évitant ainsi la perte de donnée. Le filtre choisi est un filtre SallenKey du 2me ordre ,Cette étude est basée sur le livre de C.S Gargour (1993).

Conception du circuit de puissance

Après avoir dimensionné l’alimentation et le microcontrôleur, la prochaine étape est de faire la conception de la partie puissance qui se compose de deux blocs : la commande des interrupteurs de puissance et le pont triphasé.

Fonctionnement d’un pont triphasé

Un pont triphasé est constitué de six interrupteurs de puissance  qui, selon l’application, peuvent être des MOSFETs ou des IGBT. Pour leur facilité de contrôle, leurs implantations et leur basse résistance à l’état passant, le pont sera réalisé avec des MOSFETs.

Des signaux PWM sont appliqués sur chacune des grilles des MOSFETs, suivant un ordre précis et déterminé par le microcontrôleur, pour générer des signaux triphasés.

Dimensionnement et calcul des pertes du pont triphasé

Tous les contrôleurs utilisaient la même référence de MOSFET (IRFb4115 de la compagnie Infineon), qui donnait de bons résultats lors de l’analyse thermique. Le fait de changer de MOSFET est d’augmenter l’efficacité du produit, pour atteindre un rendement proche de 96%. En utilisant les formules de l’annexe III, concernant les intervalles du MOSFET, un script Matlab, regroupant ces différentes équations, va permettre de comparer plusieurs références de MOSFET afin de choisir celui qui aura le moins de pertes.

La fréquence de commutation utilisée sera la même que celle du contrôleur Merlin, soit une fréquence de 20kHz. Les conditions de tests se feront pour une tension d’entrée de 100V avec une charge de 10A. De plus, les conditions d’attaque du MOSFET seront :
– Rdr = 5Ω, résistance en série avec la grille du MOSFET;
– VT H = 12V, tension de mise en activation du MOSFET.

Les autres paramètres d’entrée, nécessaires au script, sont donnés par les tables de la documentation technique du MOSFET, hormis la valeur de Rdson qui est donnée par le graphique : Rdson en fonction de la température de jonction TJ. Cette valeur de résistance est choisie avec une température TJ de 120˚c, pour obtenir les pertes maximales du MOSFET.