1 Problématique

Ce type de projet n’est pas unique. Il existe un projet fait par un particulier disponible en Open Source sur internet, qui a réalisé le contrôle moteur à l’aide d’un microcontrôleur de chez ST Microelectronics© (voir Figure 1), le client nous demande de reprendre ce projet existant en l’adaptant pour qu’il fonctionne avec le composant de Renesas© qui nous est imposé : le S7G2.

1.1 Explication d'un moteur brushless

Un moteur brushless comporte les mêmes éléments qu’un moteur à courant continu, excepté le collecteur, mais l’emplacement des bobines et des aimants permanents sont inversés. Le rotor est composé d’un ou plusieurs aimants permanents, et le stator de plusieurs bobinages.

Les bobines sont alimentées de façon séquentielle. Cela crée un champ magnétique tournant à la même fréquence que les tensions d’alimentation. L’aimant permanent du rotor cherche à chaque instant à s’orienter dans le sens du champ. Pour que le moteur brushless tourne, les tensions d’alimentation doivent être adaptées continuellement pour que le champ reste en avance sur la position du rotor, et ainsi créer un couple moteur. L’illustration suivante montre le fonctionnement en six étapes (la couleur bleue représente le pôle magnétique Nord et le rouge le pôle magnétique Sud) :

Le moteur brushless est un moteur synchrone, c'est-à-dire qu’il tourne à la même vitesse que le système de tensions qui l’alimente. Tant que le couple moteur est supérieur à la charge à entraîner, la rotation du rotor est synchronisée avec le champ magnétique. Si le couple résistant devient supérieur au couple moteur, et que la tension d’alimentation n’est pas ajustée en conséquence, il y a un risque de décrochage, c'est-à-dire que le rotor risque de ne plus suivre le champ magnétique.

A partir de ce moment-là, le rotor va se mettre à osciller, sans pouvoir se resynchroniser avec le champ magnétique, ce qui peut provoquer sa destruction. Pour éviter cela, le système d’asservissement doit être en mesure de réagir si le couple résistant augmente, et ajuster la tension d’alimentation en conséquence.

Le même problème se pose pour le démarrage du moteur brushless, car le rotor ne peut pas atteindre instantanément la vitesse de rotation du champ. Le système de contrôle électronique doit donc assurer un démarrage progressif, l’objectif étant toujours de reproduire la fonction du collecteur. La fréquence des tensions d’alimentation sera donc très basse au départ, puis augmentée progressivement en tenant compte de la réaction du moteur.

Pour pouvoir commander ce type de moteur, il faut envoyer une MLI sur un ensemble de MOSFETs, qui délivreront la tension et le courant nécessaires à l’actionnement du moteur. Les explications concernant la commande de ces MOSFETs et leur utilisation se situent plus loin dans le rapport.

1.2 Présentation de la carte électronique déjà existante

Ce type de projet n’est pas unique. Il existe un projet fait par un particulier disponible en Open Source sur internet, qui a réalisé le contrôle moteur à l’aide d’un microcontrôleur de chez ST Microelectronics© (voir figure suivante), notre projet va reprendre le projet existant en l’adaptant pour qu’il fonctionne avec le composant de Renesas© qui nous est imposé : le S7G2.

Il s'agit ici, d'un particulier M. Benjamin VEDDER qui a travaillé sur la réalisation d'une carte électronique permettant de contrôler un moteur triphasé brushless en vitesse (un ESC) dans le but de réaliser une voiture télécommandée. Vous pouvez trouver son travail sur le site suivant : http://vedder.se/2015/01/vesc-open-source-esc/. Nous nous sommes beaucoup appuyé sur son travail pour réaliser les schémas notamment. Car finalement notre but était de réaliser la même chose que cette personne mais avec un autre microcontrôleur.

1.3 Travail à effectuer

Il existe de nombreuses différences entre ces deux microcontrôleurs (voir tableau ci-joint), c’est pourquoi l’adapter sur la carte existante n’est pas possible directement, il faut étudier les modifications nécessaires à apporter à celle-ci avant de créer notre propre carte avec le bon microcontrôleur.
Nous devrons prendre en compte tous les éventuels problèmes avant de créer la carte électronique qui est le délivrable attendu par notre client à la fin du projet. Les problèmes que nous pourrons rencontrer seront principalement liés au cahier des charges qui impose un courant important, ce qui pourrait entraîner des problèmes de température sur la carte par exemple.
Les problèmes concernant la partie hardware sont nombreux et méritent d’être soulevés le plus rapidement possible afin de trouver des solutions efficaces adaptées. Tout d’abord, la création d’une carte électronique induit d’éventuels problèmes de CEM* (Compatibilité Électromagnétique). L’utilisation de plusieurs plans de masses entre les couches est donc fortement recommandée et sera mise en place.
De plus, cette carte devant être composée de 4 couches et d’une surface très réduite (40 mm x 60 mm) comportant une partie puissance, ces problèmes de CEM principalement causés par le rayonnement des pistes de puissance peuvent être couplés avec des problèmes de hausse en température de la carte car celle-ci n’est refroidit d’aucune manière à la demande du client.

De plus, pour la partie programmation, il faudra étudier la documentation du constructeur pour bien configurer chaque registre1 correctement afin que le microcontrôleur fasse exactement ce qu’il doit faire, sans oublier la contrainte temporelle.
Lorsque chaque fonction sera terminée, il faudra les tester une par une. Il est probable qu’elles ne fonctionnent pas toutes dès le premier essai et il est parfois difficile de localiser d’où vient l’erreur.

Le moteur que nous devons contrôler pour ce projet est un moteur qui peut avoir jusqu’à 42 ampères dans une phase pendant 5 secondes maximum d’après sa documentation. En partant du principe que l’épaisseur de la piste sera fixée à 35μm (car il est plus couteux de faire varier l’épaisseur de piste d’après les devis réalisés sur internet), on obtient une largeur de piste d’environ 2 mm, ce qui est très loin d’être négligeable pour notre application. Il faudra donc prendre en compte ces chiffres lors du routage de la carte.
Concernant la fabrication de la carte, nous ne disposons pas à l’école de la technologie nécessaire pour pouvoir mener à bien la fabrication d’une telle carte de puissance sur 4 couches. Nous avons fait des recherches pour obtenir différents devis auprès d’industriels qui fabriquent des cartes électroniques à l’étranger personnalisées à partir de fichier Gerber générés par le logiciel de CAO KiCad. Nous nous sommes renseignés sur les prix de fabrications de cartes 4 couches et nous avons pu observer des propositions à un prix de $50 (USD) pour la fabrication de 10 cartes de 4 couches de 40 mm x 60 mm, soit un prix unitaire de $5 par carte pour une livraison gratuite allant de 4 à 5 jours ouvrés.

Dans cette partie, nous avons vu les différents problèmes non pris en compte en commençant le projet mais aussi ceux qui sont apparus au fur et à mesure de notre avancement dans le projet ; nous allons donc maintenant voir comment nous nous sommes organisés pour ce projet.

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