MOTEUR EN CHARGE À VITESSE CONSTANTE

MOTEUR EN CHARGE À VITESSE CONSTANTE

Électronique

Alimentation

La source de tension imposée est une batterie standard dans le domaine médical et présentant les caractéristiques du Tableau 37. Cette batterie alimente le convertisseur qui fournit au moteur les tensions triphasées nécessaires. La durée d’utilisation du système est calculée au chapitre 9.6.4.
Lors des tests réalisés au sein de l’école, une alimentation de laboratoire fait office de batterie.

Convertisseur

Le but de ce convertisseur est de transformer une tension continue en trois tensions alternatives déphasées de 120° l’une de l’autre. Il s’agit d’un onduleur triphasé.
Pour avoir un dimensionnement rapide, ce convertisseur a été acheté. Dans l’optique d’une optimisation future du moteur, cet onduleur devra être développé spécifiquement pour cette utilisation.
Le convertisseur choisit est un driver de moteur DC sans balais DRV 10983 EVM de la société TI.
Les arguments en faveur ce modèle sont listées ci-dessous.
• Disponibilité du produit
• 3 tensions triphasées
• Tension de sortie réglable : 8 à 24 V
• Courant de sortie max : 2 ARMS
• Pas de capteurs de position Hall (sensorless)
• Commande : PWM, analogique ou i2c
• Module d’évaluation (déjà monté)
Ce driver est monté sur un board d’évaluation (EVM). Il est livré avec un petit moteur synchrone à aimants permanents afin de pouvoir tester le convertisseur.

Type de commande

Ce driver est composé de trois demi-ponts. Il peut fournir trois niveaux de tension de ligne de sortie, ‘+U1’, ‘0’ et ‘-U1’. Sachant que la ??????? ?? ????? ??ê?? ?????? [?] de l’entrainement crête est d’environ 20 V, il faut alimenter le convertisseur avec la même tension.

Allure des signaux

La Figure 39 présente un exemple de tension de ligne de sortie. Pour une tension d’alimentation de 12V, le convertisseur produit une tension de ligne (entre phases) de 12V. La Figure 40 présente l’allure des signaux bruts et moyennés sur 16 périodes pour offrir plus de lisibilité. Lors de nos différents calculs, il a été déterminé que la tension de ligne à fournir au moteur est d’environ 20 V. L’alimentation de laboratoire est capable de fournir cette tension de sortie. Par contre, une batterie 14V devra intégrer un convertisseur Boost en plus du driver pour pouvoir fournir le niveau de tension demandé.
Dans le cas où l’utilisation d’une électronique supplémentaire n’est pas permise, il convient de réduire le nombre de spires, et la tension induite afin d’atteindre 14 V. Le courant à fournir sera par contre plus important.

Ajustement de la vitesse

Il y a deux manières de régler la vitesse du moteur sur ce module d’évaluation, par le signal « speed command » ou par l’amplitude de la tension d’entrée « VCC ». La tension d’alimentation étant fixe, il n’est présenté ici que la méthode par le signal « speed command ».

Speed Command

La valeur de ce signal peut être fixée de manière digitale (PWM), analogique (tension) ou i2c (bits).
La disposition du jumper J2 permet de choisir entre le mode de commande analogique ou digitale tandis que le JTAG J3 à 10 pins est l’interface de programmation i2c.
La vitesse dans les différents modes se configure comme suit :
• PWM : pour fpwm = 25kHz, la vitesse dépend du Duty Cycle
• Analogique : un potentiomètre (R14) permet d’ajuster la vitesse
• I2c : en assignant les bits SpdCtrl [8 :0]

Direction

La direction dans laquelle tourne le moteur est fixée par le jumper J1. En inversant les connexions de J1, le sens de rotation du moteur est également inversé.

Paramétrage convertisseur

Ce module d’évaluation est livré avec une interface de programmation LABVIEW afin de faciliter la configuration des registres. Les paramètres du moteur, de la régulation, les protections en courant et tension ainsi que le type de commande de vitesse désiré sont entrés directement sur le GUI comme présenté à la Figure 42.
Le protocole de mise en service et les valeurs des paramètres ci-dessus sont basés sur les explications du datasheet de programmation en annexe.
Il est important dans un premier temps de régler approximativement les paramètres en  boucleouverte, de passer en boucle fermée pour ajuster précisément les paramètres.

Microcontrôleur

Dans le but de rendre le système portable et de simplifier les interactions entre les différents composants : le moteur, l’électronique, les sondes de température ou encore le couple mètre, toutes ses informations sont gérées par un microcontrôleur (uC). Le modèle utilisé est le RoboRED (voir Photo 21), une version compatible et plus puissante du Arduino Uno.
Il a été décidé de travailler avec un Arduino car il était directement disponible et la programmation sur cet uC est relativement simple.

Consigne de vitesse

Comme expliqué au chapite 8.2.3, la vitesse est fixée à travers un signal analogique ou un signal PWM.
Au début des tests en mode moteur, le mode analogique est privilégié. Dans un deuxième temps et afin d’être plus précis, la vitesse est assignée par un signal PWM. La fréquence est de 25 kHz et la duty cycle est fonction de la vitesse désirée.
Ce mode de contrôle permet de faire varier facilement le duty cycle et donc de varier la vitesse et potentiellement reproduire un débit pulsatile.

Mesure de vitesse

La vitesse peut être mesurée soit par le couple mètre, soit directement sur la platine du convertisseur avec le point de mesure FG. La fréquence des tensions sinusoïdale peut aisément être converti en [t/min] à l’aide de l’équation :

Mesure de température

Les sondes PT et KT présentées au chapitre 6.7 sont utilisées pour la mesure de température.
Le Schéma 8 montre le principe de mesure et la Photo 22 l’emplacement des sondes.
La tension aux bornes de la résistance R est récupérée par une entrée analogique d’un uC. Elle permet grâce à un petit algorithme, de déterminer la résistance de la sonde et d’en déduire la température.
A noter que la mesure se fait sur deux phases différentes U et W pour les bobines et à deux endroits différents pour le stator afin d’avoir une redondance en cas de défaut et disposer de résultats fiables.

Affichage des mesures

Il a été choisi d’afficher la vitesse et les températures sur une écran LCD à cristaux liquides. Cet écran est programmable par le Arduino.

Mesures sur banc d’essai

Mesures de résistances

Câblage et capteur

Afin d’être certain du bon câblage du moteur et d’éviter les court-circuits, les mesures de résistances suivantes ont été réalisées.

Phase-Neutre

Génératrice à vide

Lors des tests en génératrice, le moteur MAXON DC 2260.811-51-216-200 ayant les propriétés suivantes est utilisé.
Ce moteur est idéal pour mesurer les tensions induites, les inductances de phases, les pertes fer et frottements. Il n’est cependant pas assez coupleux pour tester l’entrainement conçu charge.

Allure des tensions induites

Une bonne indication du bon dimensionnement du système est la marche en génératrice avec analyse des tensions induites, comme présenté dans la Capture 1.

Constante de tension induite Ku

La constante de tension induite Ku [V/rad/s] est un paramètre important du moteur. C’est un bon moyen pour comparer simulations et mesures.
Le Tableau 46 présente les résultats obtenus lors de ce test.
L’erreur entre la simulation et la mesure est de 8.5%. Cet écart s’explique par la différence des propriétés physiques des matériaux utilisés, la géométrie des bobines, du stator et du rotor légèrement différentes de la simulation. Cependant, une telle différence est considérée comme faible et prouve que le moteur dimensionné est conforme à la simulation.

Constante de couple Kt

La constante de couple, calculée à l’aide de la formule ci-dessous, est valable uniquement pour un courant de phase en phase à la tension induite.
Le même écart que pour la constante de tension induite est retrouvé ci-dessus.

Courant de phase Iphase

Grâce à la mesure ci-dessus, il peut être déduit le courant de phase nécessaire pour atteindre le couple cible de 0.8 Nm et 1 Nm.

Table des matières

1 INTRODUCTION
2 BUTS ET SPÉCIFICATIONS
2.1 PROTOTYPE EXISTANT
2.2 OBJECTIFS
2.3 CAHIER DES CHARGES
2.4 DÉROULEMENT DE LA DÉMARCHE
2.5 STRUCTURE DU DISPOSITIF
3 CALCULS DE L’ENTRAINEMENT
3.1 CIRCULATION SANGUINE
3.2 FONCTIONNEMENT DU ROLLING HEART
3.3 PARAMÈTRES FIXES
3.4 VITESSE DE ROTATION
3.5 COUPLE
3.6 LONGUEUR ACTIVE
3.7 MESURES SUR LE PROTOTYPE EXISTANT
3.8 CONCLUSION DES CALCULS DE L’ENTRAINEMENT
4 CALCULS ÉLECTROMAGNÉTIQUES 
4.1 CHOIX ET FONCTIONNEMENT DE LA MACHINE ÉLECTRIQUE
4.2 SCHÉMA MAGNÉTIQUE SIMPLIFIÉ
4.3 ETAPES DU DIMENSIONNEMENT
4.3.4 LES COMBINAISONS RETENUES
5 SIMULATION 
5.1 ANALYTIQUE : RMXPRT
5.2 FEM : MAXWELL 3D
5.3 CHOIX DE LA CONFIGURATION
5.4 CHANGEMENT DE DESIGN
5.5 PARAMÈTRES DÉFINITIFS
6 CARACTÉRISATION DU MOTEUR 
6.1 NOMBRE DE SPIRES
6.2 COURANT
6.3 RÉSISTANCE DE PHASE
6.4 INDUCTANCE DE PHASE
6.5 PERTES CUIVRE
6.6 TENSION ALIMENTATION
6.7 MODÈLE SIMPLIFIÉ DE L’ÉCHAUFFEMENT
6.8 MASSE DE LA MOTORISATION
6.9 RÉCAPITULATION DES PARAMÈTRES CALCULÉS
7 BANC D’ESSAI 
7.1 ROTOR
7.2 STATOR
7.3 AIMANT
7.4 BOBINAGE
7.5 ENTREFER
7.6 RÉALISATION DU BANC D’ESSAI
7.7 COUPLE MÈTRE
8 ÉLECTRONIQUE 
8.1 ALIMENTATION
8.2 CONVERTISSEUR
8.3 MICROCONTRÔLEUR
9 MESURES SUR BANC D’ESSAI 
9.1 APPAREILS DE MESURES
9.2 MESURES DE RÉSISTANCES
9.3 GÉNÉRATRICE À VIDE
9.4 GÉNÉRATRICE À ROTOR BLOQUÉ
9.5 GÉNÉRATRICE EN COURT-CIRCUIT
9.6 MOTEUR EN CHARGE À VITESSE CONSTANTE
9.7 COMPARAISON SIMULATION MESURE
10 MESURES SUR PROTOTYPE 
11 OPTIMISATION
11.1 AIMANTS PERMANENTS
11.2 ELECTRONIQUE
11.3 BOBINAGE
11.4 ENTREFER
11.5 SONDES DE TEMPÉRATURE
11.6 MODÈLE THERMIQUE
12 CONCLUSION 
13 REMERCIEMENTS 
14 DATE ET SIGNATURE 
15 BIBLIOGRAPHIE 
16 LISTES DES SOUS-TRAITANTS CONTACTÉS 
16.1 STATOR
16.2 BOBINAGE
17 PIÈCES JOINTES SUR CD 
18 ANNEXES

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