Capteurs Hall, codeur, résolveur ou sans capteur : comment le contrôleur sait où est le moteur

Un moteur à aimants ne tourne bien que si le contrôleur envoie le courant au bon endroit, c'est-à-dire en fonction de la position exacte du rotor. Il existe quatre grandes façons de connaître cette position. Elles ne coûtent pas le même prix, n'ont pas la même précision et ne réagissent pas pareil à l'arrêt, à haute vitesse, à l'eau ou à la chaleur.

Pourquoi la position compte autant

Le couple d'un moteur à aimants est maximal quand le champ créé par les bobinages est à 90° électriques de celui des aimants. Une erreur de quelques degrés fait perdre un peu de couple ; une grosse erreur fait brouter le moteur, voire le fait freiner au lieu de pousser. Notre guide sur la commande vectorielle détaille ce mécanisme.

Attention : on parle ici de degrés électriques. Un moteur à plusieurs paires de pôles fait plusieurs tours électriques par tour mécanique. Sur un moteur moyeu de trottinette, qui a beaucoup de pôles, une petite erreur mécanique devient une grosse erreur électrique.

Les capteurs à effet Hall

Trois petits capteurs, placés dans le stator, détectent le passage des aimants du rotor. Chacun bascule entre deux états ; à eux trois, ils découpent chaque tour électrique en six secteurs de 60°.

• Atouts : très bon marché, simples à câbler (cinq fils), position connue même à l'arrêt, donc démarrage franc.
• Limites : précision grossière, sensibles à l'humidité, à la chaleur et aux fils abîmés.

C'est l'équipement standard des moteurs de trottinette et de vélo. En commande vectorielle, le contrôleur interpole la position entre deux changements d'état pour obtenir un angle continu. Un capteur Hall défaillant donne les symptômes décrits dans notre guide du moteur qui broute.

Les codeurs

Un codeur mesure l'angle du rotor finement, souvent avec des milliers de pas par tour. Deux familles sont courantes :

• les codeurs magnétiques : une puce lit l'orientation d'un petit aimant fixé au bout de l'arbre. Compacts et peu chers, ils donnent souvent une position absolue dès la mise sous tension ;
• les codeurs incrémentaux, optiques ou magnétiques : ils comptent des impulsions et ont besoin d'une référence pour connaître la position absolue.

Avec un codeur, la commande vectorielle est précise de l'arrêt jusqu'à la vitesse maximale. On les trouve sur les moteurs de moto, de kart, de robot et sur les machines de compétition. Ils demandent un montage soigné : un codeur qui glisse sur l'arbre décale toute la commande.

Les résolveurs

Un résolveur est un petit transformateur tournant, sans électronique dans le moteur. Le contrôleur l'alimente avec un signal alternatif et lit deux signaux de retour, dont il déduit l'angle.

• Atouts : très robuste à la chaleur, aux vibrations et aux perturbations électriques ; position absolue.
• Limites : plus encombrant et plus cher, il demande un circuit de lecture dédié dans le contrôleur.

C'est le capteur de référence des voitures électriques, où les moteurs chauffent fort et tournent vite.

Sans capteur

Le contrôleur peut aussi estimer la position sans aucun capteur, à partir de ce qu'il mesure déjà : les tensions qu'il applique et les courants qui circulent. Un calcul appelé observateur reconstitue la tension produite par le moteur en tournant, et en déduit l'angle.

• Atouts : pas de capteur à loger, à câbler ni à protéger ; très précis à vitesse moyenne et élevée.
• Limites : à l'arrêt, le moteur ne produit aucune tension, donc l'observateur n'a rien à mesurer. Le démarrage sous forte charge est moins franc.

Des techniques avancées, comme l'injection d'un signal haute fréquence, permettent d'estimer la position même à l'arrêt, en exploitant les petites différences d'inductance du moteur selon l'angle. Elles fonctionnent d'autant mieux que le moteur a une saillance marquée, comme les moteurs à aimants intérieurs.

Le comparatif

Le meilleur des deux mondes

Beaucoup de contrôleurs combinent les solutions : ils utilisent les capteurs Hall au démarrage et à basse vitesse, puis passent à l'estimation sans capteur dès que le moteur tourne assez vite. On obtient un départ franc et une commande précise à haute vitesse. C'est le fonctionnement courant d'un contrôleur VESC sur un moteur de trottinette, réglé lors de la détection du moteur.