La technique des moteurs à courant continu sans collecteur, dont la commutation des phases est commandée par des sondes de Hall est bien connue. Les réalisations pratiques de tels moteurs se heurtent aux difficultés suivantes pour obtenir une bonne commutation des phases:
- Les sondes de Hall bon marché qu'il peut être avantageux d'utiliser, ont des tolérances mécaniques et magnétiques.
Il est donc impossible, sans ajustement sur chaque phase de chaque moteur, ce qui représente une opération de fabrication coûteuse, de garantir un angle de commutation précis.
- Même si cet ajustement peut être réalisé, les sondes de Hall sont sensibles aux variations de température, ce qui a comme résultat une variation de l'angle de commutation en fonction de la température.
- Même si les sondes de Hall étaient idéales, résolvant ainsi les problèmes évoqués plus haut, les variations de champ magnétique dues à la réaction du stator bobiné, ainsi que les influences d'une paire de pôles à l'autre dans le cas d'un rotor multipolaire, suffisent à fausser le moment de commutation de la sonde.
Le constructeur ne peut donc pas espérer une commutation correcte pour un moteur à trois phases; en effet, il est nécessaire avant tout, d'éviter que puisse se produire une situation de panne de fonctionnement, telle qu'elle se produirait si aucune phase n'était "ouverte" pour une disposition angulaire du rotor donnée. En effet, si le rotor s'arrête sur la dite position angulaire, le moteur ne pourra plus redémarrer.
Pour être sûr d'être à l'abri de telles pannes, le constructeur doit veiller à décaler les points de commutation des phases, de manière à ce qu'une superposition des phases "ouvertes" soit garantie, ceci même dans les cas de fonctionnement les plus extrêmes du moteur.
Les figures ci-après expliquent ces modes de fonctionnement et décrivent des exemples de schémas d'un moteur selon l'état de la technique et proposé selon l'invention. Elles se rapportent à l'exécution d'un moteur à trois phases.
La fig. 1 représente la constante de couple "idéale" d'un tel type de moteur, sans superposition des phases; les trois phases sont décalées de 120 DEG .
La fig. 2 représente la constante de couple d'un tel type de moteur avec superposition des phases (1).
La fig. 3 représente la constante de couple d'un tel type de moteur avec superposition des phases (1) conduisant à des couples négatifs (1a).
La fig. 4 représente une vue schématique d'un exemple de réalisation d'un type de moteur selon l'invention, avec:
P1, P2, P3 étant les trois enroulements statoriques correspondant aux phases 1, 2 et 3,
M1, M2, M3 étant les trois MOFSET correspondant aux trois phases avec:
D représentant le "drain" du MOFSET
G représentant la "grille" du MOFSET
S représentant la "source" du MOSFET,
D1, D2, D3 étant les trois diodes, selon l'invention, correspondant aux trois phases,
H1, H2, H3 étant les trois sondes de Hall correspondant aux trois phases,
N et S étant les pôles d'un aimant permanent constituant le rotor dans ce cas de réalisation,
+ et - étant les bornes d'alimentation du mo teur en courant continu.
Les différentes résistances étant en particulier destinées à fixer les différents niveaux de tension et à limiter le courant lorsque les sondes de Hall sont "ouvertes".
La fig. 5 représente une vue schématique d'un exemple de réalisation d'un type de moteur selon l'état de la technique, adapté de la référence: ("PM and brushless DC motors", de T. Kenjo et S. Nagamori, Oxford Science Pub, 1985, fig. 5. 6.)
avec en sus des repères de la fig. précédente:
1 - bloc logique
T1, T2, T3 étant trois transistors commandant les trois MOSFET.
La fig. 6 représente une vue schématique de l'exemple de réalisation vu en fig. 4, adapté à la représentation de la fig. 5.
Une superposition importante de la commutation des phases conduit à une augmentation de courant, donc à une augmentation des pertes et de l'échauffement du moteur, sans augmentation proportionnelle du couple mécanique fourni par le moteur. En effet, chaque fois qu'il y a superposition de la commutation des phases, on se trouve dans une position angulaire du rotor où la constante de couple n'est pas bonne. (Voir fig. 2). Et lorsque cette superposition de commutation devient plus importante, on peut même se trouver dans la situation de créer un couple de sens opposé (voir fig. 3), cette dernière situation conduisant à un régime de fonctionnement avec des à-coups, peu profitables selon le type de machine ou d'appareil entraîné par le moteur.
Il faut noter que cette situation (superposition importante) est réalisée dans le cas d'une production normale, économique où l'on utilise des éléments bon marché (par exemple: sondes SPRAGUE UGN 3113) que l'on positionne simplement par enfichage dans un circuit im primé prépositionné.
Considérons un des schémas possibles de la réalisation selon l'état de la technique appliqué par exemple à une pompe à essence pour automobile, tel que représenté en fig. 5; on sait par ailleurs que la tension d'alimentation peut, dans ce cas, varier dans des proportions importantes, par exemple de 9 à 16 V. Si certains éléments, tels que les sondes de Hall, les MOFSET ou les diodes peuvent fonctionner avec de telles variations de tension d'alimentation, il n'en est pas de même du bloc logique 1, qui fonctionnant sous une tension d'alimentation de 5 V n'admet pas de telles variations de tension et nécessite un circuit adapté pour son alimentation. D'autre part, les signaux de sortie de ce bloc logique étant limités à 5 V sont trop faibles pour commander directement les MOFSET correspondants, sans passer par des transistors d'amplification tels que représentés en T1, T2, T3.
D'autres types de réalisation de circuit selon l'état de la technique conduisent à choisir des éléments ayant de meilleures caractéristiques techniques, afin de pouvoir s'affranchir des contraintes évoquées ci-dessus, mais qui par contre seront plus onéreux.
Le but de l'invention est précisément de pouvoir utiliser des éléments et un montage économique, sans en subir les conséquences. Pour cela, l'invention est caractérisée par le fait qu'on utilise toute ou partie de la tension apparaissant aux bornes de l'élément de commutation de l'une des phases, pour autoriser la commutation de la phase suivante. En d'autres termes, on impose, par exemple à la phase 2, pour pouvoir commencer à conduire du courant, d'attendre que la phase 1 ait terminé de conduire du courant.
L'objet de l'invention est plus facilement mis en évidence en examinant un cas concret simple (voir fig. 4): Considérons un moteur à courant continu sans collecteur à trois phases ayant une seule direction de rotation (ce qui simplifie le schéma), commuté par trois sondes de Hall (H1, H2, H3 ) et trois POWERMOFSET (M1, M2, M3). Dans ce cas simple, il suffit d'intercaler trois diodes (D1, D2, D3 ) entre le "drain" (D) du MOFSET d'une phase et la "grille" (G) du MOFSET de la phase suivante pour réaliser l'invention. En effet, tant qu'une phase (la phase 1 par exemple) conduit du courant, son MOFSET est "ouvert" et sa tension "drain-source" (Vds) est faible (de l'ordre ou inférieur à 1 V).
La tension "grill-source" (Vgs) du MOFSET de la phase suivante (phase 2 de notre exemple) ne peut donc monter à un niveau suffisant pour ouvrir cette phase, étant bloquée par la diode D2, même si la sonde de Hall correspondant à cette phase H2 a commuté dans ce but. Il s'ensuit que, tant que le courant circule dans la phase 1, aucun courant ne peut passer dans la phase 2.
Lorsque la sonde de Hall (H1) ne sera plus excitée par l'aimant, elle coupera le courant circulant dans la phase 1, la tension sur la grille du MOFSET (M2) pourra monter, les conditions seront donc réalisées pour que ce MOFSET s'"ouvre" et permette le passage du courant dans la phase 2. Et ainsi de suite cycliquement.
Il est donc possible de tolérer une large superposition des angles de commutation des sondes de Hall, avec tous les avantages de coût et de construction que cela comporte, tout en obtenant un fonctionnement régulier du moteur, sans à-coups, un courant minimum, donc des pertes et un échauffement minimum .
En examinant le schéma représenté à la fig. 6 montrant une autre représentation de l'invention, et en le comparant à celui de la fig. 5 représentant une réa lisation selon l'état antérieur de la technique, on constate la grande simplification apportée par l'invention, qui en supprimant la nécessité d'avoir une tension d'alimentation séparée et en diminuant le nombre d'éléments nécessaires, augmente de façon significative la fiabilité de fonctionnement du circuit.
Remarque: L'objet de l'invention tel que décrit dans le cas particulier ci-dessus, ne doit pas être confondu avec l'utilisation d'une diode de protection des éléments de commutation. En effet, dans ce cas, la diode est alors reliée aux connexions des éléments d'une seule phase afin de la protéger des tensions inverses excessives.
The technique of DC motors without a collector, the phase switching of which is controlled by Hall sensors is well known. The practical embodiments of such motors face the following difficulties in obtaining good phase switching:
- The inexpensive Hall probes that can be advantageous to use have mechanical and magnetic tolerances.
It is therefore impossible, without adjustment on each phase of each motor, which represents an expensive manufacturing operation, to guarantee a precise switching angle.
- Even if this adjustment can be made, the Hall probes are sensitive to temperature variations, which results in a variation of the switching angle as a function of temperature.
- Even if the Hall probes were ideal, thus solving the problems mentioned above, the variations in magnetic field due to the reaction of the wound stator, as well as the influences from one pair of poles to another in the case of a multi-pole rotor is enough to distort the switching time of the probe.
The manufacturer cannot therefore expect correct switching for a three-phase motor; in fact, it is necessary above all, to avoid the possibility of a situation of operational failure, such as it would occur if no phase were "open" for a given angular arrangement of the rotor. Indeed, if the rotor stops in said angular position, the engine can no longer restart.
To be sure of being safe from such breakdowns, the manufacturer must take care to offset the phase switching points, so that a superposition of the "open" phases is guaranteed, even in the case of operation. most extreme of the engine.
The figures below explain these operating modes and describe examples of diagrams of an engine according to the state of the art and proposed according to the invention. They relate to the execution of a three-phase motor.
Fig. 1 represents the "ideal" torque constant of such a type of motor, without superposition of the phases; the three phases are offset by 120 DEG.
Fig. 2 represents the torque constant of such a type of motor with phase superposition (1).
Fig. 3 represents the torque constant of such a type of motor with phase superposition (1) leading to negative torques (1a).
Fig. 4 represents a schematic view of an exemplary embodiment of a type of engine according to the invention, with:
P1, P2, P3 being the three stator windings corresponding to phases 1, 2 and 3,
M1, M2, M3 being the three MOFSET corresponding to the three phases with:
D representing the "drain" of MOFSET
G representing the "grid" of MOFSET
S representing the "source" of MOSFET,
D1, D2, D3 being the three diodes, according to the invention, corresponding to the three phases,
H1, H2, H3 being the three Hall probes corresponding to the three phases,
N and S being the poles of a permanent magnet constituting the rotor in this embodiment,
+ and - being the DC power supply terminals of the motor.
The different resistors being in particular intended to fix the different voltage levels and to limit the current when the Hall probes are "open".
Fig. 5 shows a schematic view of an exemplary embodiment of a type of motor according to the state of the art, adapted from the reference: ("PM and brushless DC motors", by T. Kenjo and S. Nagamori, Oxford Science Pub, 1985, fig. 5. 6.)
with in addition the marks in fig. former:
1 - logic block
T1, T2, T3 being three transistors controlling the three MOSFETs.
Fig. 6 shows a schematic view of the embodiment seen in FIG. 4, adapted to the representation of FIG. 5.
A significant superposition of the phase switching results in an increase in current, therefore in an increase in the losses and the heating of the motor, without proportional increase in the mechanical torque supplied by the motor. Indeed, each time there is a superposition of the phase switching, we are in an angular position of the rotor where the torque constant is not good. (See fig. 2). And when this switching superposition becomes more important, we can even find ourselves in the situation of creating a couple of opposite directions (see fig. 3), this latter situation leading to an operating regime with jolts, not very profitable depending on the type of machine or device driven by the engine.
It should be noted that this situation (significant overlap) is achieved in the case of normal, economical production where inexpensive elements are used (for example: SPRAGUE UGN 3113 probes) which are simply positioned by plugging into a prepositioned primed circuit.
Let us consider one of the possible diagrams of the embodiment according to the state of the art applied for example to a petrol pump for an automobile, as shown in FIG. 5; we also know that the supply voltage can, in this case, vary in large proportions, for example from 9 to 16 V. If certain elements, such as Hall probes, MOFSET or diodes can operate with such supply voltage variations, it is not the same for logic block 1, which operating under a supply voltage of 5 V does not admit such voltage variations and requires a circuit adapted for its supply. On the other hand, the output signals of this logic block being limited to 5 V are too weak to directly control the corresponding MOFSETs, without going through amplification transistors as shown in T1, T2, T3.
Other types of circuit construction according to the state of the art lead to choosing elements having better technical characteristics, in order to be able to overcome the constraints mentioned above, but which on the other hand will be more expensive.
The object of the invention is precisely to be able to use elements and an economical assembly, without suffering the consequences. For this, the invention is characterized in that all or part of the voltage appearing at the terminals of the switching element of one of the phases is used, to authorize the switching of the next phase. In other words, it is necessary, for example in phase 2, in order to be able to start conducting current, to wait until phase 1 has finished conducting current.
The object of the invention is more easily highlighted by examining a simple concrete case (see fig. 4): Let us consider a DC motor without collector with three phases having only one direction of rotation (which simplifies the diagram) , switched by three Hall probes (H1, H2, H3) and three POWERMOFSET (M1, M2, M3). In this simple case, it is enough to insert three diodes (D1, D2, D3) between the "drain" (D) of the MOFSET of one phase and the "grid" (G) of the MOFSET of the next phase to carry out the 'invention. Indeed, as long as a phase (phase 1 for example) conducts current, its MOFSET is "open" and its "drain-source" voltage (Vds) is low (of the order or less than 1 V).
The "grid-source" voltage (Vgs) of the MOFSET of the next phase (phase 2 of our example) cannot therefore rise to a level sufficient to open this phase, being blocked by diode D2, even if the corresponding Hall probe at this phase H2 switched for this purpose. It follows that, as long as the current flows in phase 1, no current can pass in phase 2.
When the Hall probe (H1) is no longer excited by the magnet, it will cut the current flowing in phase 1, the voltage on the grid of MOFSET (M2) may rise, the conditions will therefore be met for this MOFSET s '"opens" and allows the passage of current in phase 2. And so on cyclically.
It is therefore possible to tolerate a large superposition of the switching angles of the Hall probes, with all the cost and construction advantages that this entails, while obtaining regular operation of the motor, without jolts, a minimum current, therefore losses and minimum heating.
By examining the diagram shown in fig. 6 showing another representation of the invention, and comparing it to that of FIG. 5 representing a realization according to the prior art, there is the great simplification brought by the invention, which by removing the need for a separate supply voltage and reducing the number of elements required, increases significantly the operational reliability of the circuit.
Note: The object of the invention as described in the particular case above, should not be confused with the use of a diode for protection of the switching elements. Indeed, in this case, the diode is then connected to the connections of the elements of a single phase in order to protect it from excessive reverse voltages.