Signification et influence du "couple de cogging" et de "l'ondulation du couple".

Sujet :

Situation :

• Les moteurs à noyau de fer (par exemple EC-i, EC flat, EC frameless, IDX) sont pilotés par un contrôleur de moteur (par exemple ESCON) en mode "Régulateur de courant" avec un courant moteur constant.
• Lorsque l'on touche l'arbre du moteur ou que l'on mesure le couple de sortie, en particulier à faible vitesse, on remarque des "chutes de couple" importantes et répétitives à chaque tour du moteur, même si le courant du moteur est constant.
• Même lorsque le moteur est mis hors tension et que son arbre est tourné manuellement, il semble avoir une sorte de position préférée du rotor avec un certain couple de maintien.

Exemple :

• Retour d'expérience basé sur l'application d'un client :
  "En testant un "EC fameless 45 flat" (P/N: 574404), une chute de couple ou une position préférée du rotor peut être observée environ tous les 10 degrés de rotation de l'arbre du moteur."

Questions :

• Quelle est la cause des "chutes de couple" perceptibles ou des positions préférées du rotor dans le cas des moteurs EC à noyau de fer ?
• Le contrôleur de moteur influence-t-il aussi ce comportement ou peut-il être amélioré par une configuration du contrôleur de moteur ?

Solution : 

Le "EC frameless", comme tout moteur à noyau de fer (par exemple EC-flat, EC-i, ou moteur IDX) a un couple dit "de détente" ou "de crantage (cogging)"qui est présent à certaines positions du rotor. La "trame de cogging" dépend du nombre de paires de pôles et de dents du stator.

Couple de cogging

• Le "couple de cogging" est le couple nécessaire pour déplacer l'arbre du moteur d'une de ses positions préférées de rotor de cogging à la suivante.
• La périodicité du cogging correspond au "LCM" (= least common multiple) du nombre de pôles du rotor et du nombre de dents du stator.
• Si un moteur est sous tension (c'est-à-dire qu'il y a un flux de courant), le couple de cogging s'ajoute simplement au couple électrodynamique.
• Les effets du couple de cogging peuvent être bien "ressentis" ou observés dans les cas suivants :
  • Mouvement manuel de l'arbre du moteur (= rotor) sans application d'un courant moteur (c'est-à-dire sans bobinages moteur connectés ou avec l'étage de sortie de puissance désactivé). On a l'impression que l'arbre du moteur essaie d'attraper les positions préférées du rotor et de les conserver. 
  • "Contrôle du courant" et demande d'un courant moteur constant. Dans ce cas, des chutes répétitives du couple de l'arbre de sortie peuvent être ressenties et mesurées lorsque l'arbre du moteur tourne.
  • Contrôle / régulation de la vitesse avec une vitesse de référence très faible (par exemple, moins de 5 tr/min). Le contrôle de vitesse réagit aux petites chutes de vitesse aux positions de cogging du rotor et tente de les compenser par un bref ajustement du courant du moteur pour atteindre à nouveau la vitesse cible spécifiée. La vitesse de la boucle de régulation ainsi que la résolution du codeur (pour la mesure de la vitesse) sont des facteurs importants qui influencent la perception des effets de cogging par l'utilisateur. À des vitesses inférieures à 1 ou 2 tr/min, un mouvement graduel (au lieu de continu) peut être observé.
• Le couple de cogging ne peut pas être facilement compensé par le contrôleur du moteur car il dépend fortement de la conception du moteur. L'utilisation de la "commutation FOC / sinusoïdale" (par un codeur EPOS4 plus) ne permet toujours pas de compenser le couple d'inertie. La "commutation sinusoïdale" et la "compensation du couple de cogging" sont des aspects différents du contrôle du courant moteur.
• maxon ne propose pas de contrôleurs dotés d'une "compensation du couple d'entraînement" en tant que caractéristique standard. Cela peut être possible grâce à un micrologiciel de contrôleur personnalisé ciblant un moteur EC concret d'une conception de système spécifique.

Exemple : "EC frameless 45 flat" (P/N: 574404)

Le "EC frameless 45 flat" (P/N : 574404) possède 12 pôles électriques et 16 pôles magnétiques (= 8 paires de pôles). Le LCM de ces deux valeurs est de 48. Il en résulte une "distance" de 7,5° (= 360°/48) entre les positions préférées consécutives du rotor de cogging. Cette valeur correspond à l'observation mentionnée initialement, à savoir "... des chutes de couple peuvent être observées tous les 10 degrés environ".

Si un courant constant est appliqué en permanence aux bobinages du moteur (sur la base du contrôle du courant), le couple électrodynamique généré est également utilisé pour surmonter le cogging. Cela se traduit finalement par une "sensation" de variations répétitives du couple sur l'arbre de sortie du moteur tous les 7,5°. 

Notes supplémentaires :

Commutation par blocs -> Couple ondulatoire

La commande de l'ESCON est basée sur ce qu'on appelle la "commutation en bloc" (voir la vidéo "Commutation of a multi-pole EC motor"). La commutation de bloc montre une ondulation de 14% du couple électrodynamique en supposant que le courant est constant sur tout l'intervalle de commutation et que la commutation a lieu exactement au bon moment.

Remarques :

• Le "couple d'ondulation" est un effet supplémentaire indépendant du "couple de cogging" mentionné précédemment. 
• Le "couple d'ondulation" est dû à la commutation en bloc. Il sera présent dans le cas d'une commutation en bloc par n'importe quel type de moteur EC (indépendamment du fait qu'il s'agisse d'un moteur avec ou sans fer).
• En théorie, il n'y a pas de "couple d'ondulation" dans le cas d'un moteur avec un encodeur et un contrôleur de moteur (comme l'EPOS4 de Maxon) avec ce qu'on appelle une "commutation sinusoïdale" ou "FOC - Field Oriented Control". Dans la pratique, un léger "couple ondulatoire" sera toujours observé en raison des tolérances du capteur Hall et du bobinage du moteur. 
  Vous trouverez plus de détails sur la "commutation sinusoïdale du bobinage" dans ce document du Centre de support :
  
  • EPOS4: Capteurs et procédure de démarrage de la commutation sinusoïdale
  • Résistance du moteur BLDC (EC) avec commutation sinusoïdale
• L'utilisation d'une commutation "FOC" ou "sinusoïdale" ne fait qu'éliminer le "Couple ondulatoire" mais ne compense pas le "Couple de cogging" initialement expliqué qui sera toujours présent.

Réglage des paramètres de contrôle -> Obligatoire !

Bien que le "réglage de la régulation" n'aide pas à surmonter le "couple d'entraînement", le réglage des paramètres de commande est nécessaire pour obtenir les meilleurs résultats de commande en général, c'est-à-dire une réponse hautement dynamique de la commande afin de pouvoir réagir à de légères baisses de vitesse (par exemple, en raison du couple d'entraînement ou de toute force externe appliquée à l'arbre du moteur). Le réglage de la commande peut être effectué assez facilement avec l'assistant "Réglage de la régulation" dans le Studio ESCON ou EPOS.

Important :
La "commande de courant" est la boucle de commande de niveau le plus bas qui est active dès que l'étage de puissance est "activé", indépendamment du fait que la commande de couple, de vitesse ou de position soit active et du mode de fonctionnement configuré.  Le "Paramétrage du régulateur" du "Régulateur de courant" est obligatoire. Ne le manquez pas.

Conclusion :

Le "Couple de cogging" ...

• ... dépend du type de moteur et de sa conception.
• ... se manifeste par de légères et courtes chutes de couple à certaines positions du rotor lorsqu'un moteur à noyau de fer est utilisé avec un courant moteur constant (en mode de contrôle du courant).
• ... sera principalement remarqué dans les situations suivantes :
  • En cas de fonctionnement à très faible vitesse (moins de 10 tr/min), sous forme de légères oscillations de la vitesse.
  • Lorsque l'arbre du moteur est tourné manuellement (sans tension d'alimentation), comme une sorte de "blocage" dans certaines positions du rotor.
• ... ne peut pas être facilement compensé par le contrôleur. 
• ... ne dépend pas du type de commutation. Il s'agit d'un effet spécifique au moteur qui peut être observé aussi bien en cas de commutation par blocs que de commutation sinusoïdale (resp. FOC - Field Oriented Control"). 

Le "couple ondulatoire" ...

• ... est dû au type de commutation du contrôleur de moteur.
  • Dans le cas d'une commutation par blocs, il y a un "couple d'ondulation" supplémentaire de 14%. 
  • En cas de commutation sinusoïdale, il n'y a pas de "couple d'ondulation" en théorie. En pratique, une petite ondulation du couple (de quelques pour cent) sera mesurable en raison des tolérances des capteurs à effet Hall et des enroulements.