Commande sans capteur : comment un observateur devine la position du moteur

Beaucoup de contrôleurs savent piloter un moteur sans aucun capteur de position : on parle de commande sans capteur, ou « sensorless ». Le contrôleur calcule alors en permanence où se trouve le rotor, à partir de ce qu'il mesure déjà. Ce calcul s'appelle un observateur. Ce guide explique son principe, ses forces et ses limites.

Le principe : écouter la dynamo

Un moteur à aimants qui tourne est une génératrice : il produit une tension, la force contre-électromotrice, proportionnelle à sa vitesse et orientée selon la position des aimants. Si l'on connaît cette tension, on connaît l'angle du rotor.

Le contrôleur ne peut pas la mesurer directement, puisqu'il alimente lui-même le moteur. Mais il connaît la tension qu'il applique et mesure le courant. La tension appliquée se répartit en trois parts :

• la chute dans la résistance des bobinages, proportionnelle au courant ;
• la part absorbée par l'inductance, proportionnelle aux variations du courant ;
• la force contre-électromotrice, celle que l'on cherche.

En retirant les deux premières de la tension appliquée, il reste la troisième. C'est tout le travail de l'observateur.

L'observateur de flux

Une méthode répandue raisonne sur le flux magnétique plutôt que sur la tension. En intégrant dans le temps la tension appliquée, moins la chute dans la résistance, on obtient le flux total vu par les bobinages. En retirant la part due au courant (l'inductance multipliée par le courant), il reste le flux des aimants, dont la direction donne l'angle du rotor.

L'intégration a un défaut : la moindre erreur s'accumule et fait dériver le résultat. Les observateurs modernes la corrigent en permanence en imposant que l'amplitude du flux estimé reste égale au flux connu des aimants. C'est pour cela que la détection du moteur mesure ce flux.

Un second étage, souvent une boucle de suivi de phase (PLL), lisse l'angle obtenu et en déduit la vitesse.

Ce qui le trompe

• La résistance qui change avec la chaleur : le cuivre chaud résiste davantage. Une résistance mal connue fausse l'estimation, surtout à basse vitesse où la force contre-électromotrice est faible. Voir notre guide sur l'échauffement du moteur.
• Une inductance mal mesurée : l'erreur grandit avec le courant et la vitesse de variation du courant.
• Les aimants qui faiblissent quand ils chauffent : le flux réel s'écarte du flux connu.
• Les mesures imparfaites : décalage des capteurs de courant, tension réellement appliquée différente de la consigne à cause du temps mort.

La limite de l'arrêt

À l'arrêt, le moteur ne produit aucune tension : l'observateur n'a rien à observer. À très basse vitesse, le signal est si faible que les erreurs dominent. C'est pourquoi un moteur sans capteur peut hésiter ou trembler au démarrage sous charge, alors qu'il tourne parfaitement une fois lancé.

Trois solutions existent :

• le démarrage en boucle ouverte : le contrôleur fait tourner le champ à l'aveugle jusqu'à ce que le moteur atteigne une vitesse où l'observateur prend le relais ;
• l'injection haute fréquence : le contrôleur ajoute un petit signal rapide et observe comment l'inductance du moteur varie avec l'angle. Cela marche à l'arrêt, surtout sur les moteurs à saillance marquée comme les moteurs à aimants intérieurs ;
• les capteurs Hall au démarrage, puis le passage à l'observateur en roulant : c'est la solution la plus courante sur les trottinettes. Voir notre guide sur les capteurs de position.

Pourquoi le sans capteur est si apprécié

• Aucun capteur à loger, câbler, protéger de l'eau et de la chaleur.
• Une estimation souvent plus fine que des capteurs Hall dès que le moteur tourne.
• Une solution de secours quand un capteur tombe en panne en roulant.