MODULE M.2.2 ALIMENTATION ET COMMANDE DES MOTEURS DC

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1 UNIVERSITE CADI AYYAD ECOLE NATIONALE DES SCIENCES APPLIQUEE DE MARRAKECH MODULE M.2.2 ALIMENTATION ET COMMANDE DES MOTEURS DC Déprtement Génie Electrique 2 ème Année Cycle d Ingénieur Jnvier 2007 (Première version : 2005) Responsble : Dr. Driss Yousfi

2 CHAPITRE I COMMANDE DES MOTEURS A COURANT CONTINU DC MOTORS CONTROL I. RAPPELLES SUR LA MACHINE A COURANT CONTINU II. MODELISATION ET COMMANDE DE LA MCC III. COMMANDE DE LA MACHINE A CC CHAPITRE II COMMANDE DES MOTEURS A COURANT CONTINU SANS BALAIS BRUSHLESS DC MOTORS CONTROL I. INTRODUCTION II. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT III. MODELISATION DU BLDC IV. CALCUL DES PARAMETRES DES CORRECTEURS FORME D ONDE DES COURANT CONCLUSION CHAPITRE III LES CAPTEURS DANS LES ENTRAINEMENTS ELECTRIQUES INTRODUCTION A. LES CAPTEURS DE POSITRION ET DE VITESSE (CAPTEURS MECANIQUES) I. Mesure de l vitesse vec l Génértrice Tchymètrique II. Mesure de l position pr Résolveur/Digitliseur III. Mesure de l position pr codeur optique bsolu et incrémentl IV. Mesure de l position pr un cpteur à effet hll B. CAPTEURS DE TENSION ET DE COURANT I. Le module LEM LV 25-P II. Le module LEM LA 25-NP Chpitre IV CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT D UN DEMI POND (BRAS D ONDULEUR OU DE HACHEUR) I. CAHIER DES CHARGES II. STRUCTURE PRINCIPALE : LE BRAS ET SA COMMANDE RAPPROCHEE II. L INTERFACE D ENTREE III. AMELIORATION DE LA COMMUTATION

3 CHAPITRE I COMMANDE DES MOTEURS A COURANT CONTINU DC MOTORS CONTROL I. RAPPELLE SUR DE LA MACHINE A COURANT CONTINU. Constitution Les deux prties de l mchine sont (Figure ): Inducteur (sttor) : bobinge excité ou imnt permnent Induit (rotor) : bobinge limenté à trvers le système collecteur/blis. Figure : Inducteur à imnt, induit vec son collecteur et système de blis. 2. L limenttion de l mchine à CC Selon que l source est à cournt AC ou DC le vriteur est : - soit un redresseur commndé (à thyristors). - soit un hcheur à trnsistors. 3. Crctéristiques Avntges : - Plge de vrition de vitesse très grnde (> 000 en boucle d'sservissement) - Couple de démrrge importnt, idél pour l'entrînement de chrges à forte inertie. - Rendement élevé

4 Inconvénients : - Prix élevé - Puissnce mssique très fible, comprée à toutes les utres technologies - Mintennce coûteuse (remplcement des blis en grphite, usure du collecteur) - Source importnte de prsites (étincelles de commuttion sur le collecteur) 4. Entrées/Sorties d interction vec l mchine CC Les différentes grndeurs d interction entre l mchine et son environnement électrique et mécnique sont illustrées dns l figure et le tbleu suivnts : Chrge (T ch ) T e U Ω θ Frottement (T fr, T s ) Mchine CC Figure 2. Entrée Symbole Type Observtions Tension d induit U (V) Electrique Chrge externe T ch (Nm) Mécnique Peut être un entrînement Frottement secs, visqueux et Aérulique Sortie T fr, T s (Nm) Mécnique Freinge Couple électromgnétique T e (Nm) Mécnique Entrînement ou freinge Vitesse Ω (rd/s) Mécnique Positive ou négtive Position ngulire θ (rd) Mécnique Remrque : il est possible de considérer le cournt d induit comme grndeur de sortie à l plce du couple électromgnétique. 5. Différents types de chrges Les crctéristiques couple résistnt fonction de l vitesse courmment rencontrés sont :

5 Couple constnt T= C te Frottement visqueux T=f r Ω Frottement érulique T=f Ω 2 6. Equtions électriques et expression du couple (MCC à excittion sépré) On suppose que le flux inducteur est constnt Φ = C te. D où d éqution électrique trduisnt le schém équivlent de l figure ci contre : di U = RI + L + E dt E = kφ Ω = K Ω Le couple électromgnétique T e développé pr l mchine à pour expression : T e = K I R : résistnce du bobinge de l induit (en Ohm), L : inductnce du bobinge de l induit (en H), I : cournt induit (en A), E : fem dns l induit due u mouvement de rottion du rotor (en V), Φ : flux inducteur (en Wb), Ω : vitesse du rotor (en rd/s), K : constnte dépendnt de l conception de l mchine. Pour vrier l vitesse il fut gir sur l tension U. Pour s dpter à une vrition du couple l mchine ppelle plus ou moins de cournt à l source. 7. Atouts de l mchine CC Si l on néglige les pertes joule u niveu de l induit, les reltions entre l tension et l vitesse d une prt et le cournt et le couple d utre prt sont indépendnts ; elle sont même, qusiment linéire. Le modèle est donc nturellement linéire et découplé. En outre, l vitesse est prtiquement insensible à l vrition de l chrge (voir figure). Pr conséquence, elle peut être réglble dns une lrge plge.

6 Figure : Crctéristique sttique Couple/Vitesse II. MODELISATION ET COMMANDE DE LA MCC. Modèle de l mchine di U = RI + L + E dt E = kφ Ω = K Ω T e = K I dω J = Te Tch fr Ω dt J : moment d inertie de l prtie tournnte (rotor est chrge) f r : cœfficient de frottement. Le schém bloc de l figure ci dessous trduit ce modèle: Tch 2 U L.s+R elec_eq I K Torq_gen Te J.s+fr mec_eq W E K fem_gen T ch pprît comme une perturbtion (disturbnce). L hcheur d limenttion (Power Converter) peut être représenté pr un simple gin GH. 2. Fonction de trnsfert : Les frottements visqueux sont négligés (fr=0) etke=kt=k. HDCM (s) = K = K R J L J 2 + s + s + Tm s + Te Tm s 2 2 K K 2

7 Constnte de temps électrique : Te = L R Constnte de temps mécnique : Tm = RJ 2 K Moteur vec un modèle er ordre C est le cs des moteur présentnt une très fible inductnce d induit ( L << R ). D où le schém de l figure : TL 2 u R elec_eq i K Torq_gen Tem J.s mec_eq wm e K fem_gen L fonction de trnsfert devient : H K K DCM ( s ) = = R J + Tm s + s 2 K Pour ce type de moteurs, l commnde est considérblement simplifiée. III. COMMANDE DE LA MACHINE A CC. Commnde en tension Cette commnde est utilisée vec des moteurs à fibles puissnces où le cournt de trnsition n tteint ps des limites dngereuses (lors du démrrge et des chngements de conditions de fonctionnement). Le cournt dns ce cs n est ps contrôlé.

8 Tch Wref In Uref Speed PI GH Power Converter U Tch W W DC_Motor 2. Commnde en tension vec contrôle du cournt L structure fréquemment doptée et une régultion cournt-vitesse en cscde. Cette commnde est nécessire pour les puissnces importntes fin d éviter l destruction de l mchine qui peut se produire suite ux surintensités survennt lors du démrrge ou des régimes trnsitoires. Elle est églement exigée pour les pplictions mettent le moteur dns des conditions de fonctionnement dynmiques sévère (robotique pr exp.) Tch Wref In Iref Speed PI In Uref Current PI GH Power Converter U Tch I W I 2 W DC_Motor

9 CHAPITRE II COMMANDE DES MOTEURS A COURANT CONTINU SANS BALAIS BRUSHLESS DC MOTORS CONTROL I. INTRODUCTION Le moteur brushless BLDC ou encore le moteur sns blis est un moteur synchrone dont le rotor est constitué d un ou plusieurs imnts permnents. L position du rotor est déterminée pr un cpteur de position qui est souvent un cpteur à effet hll. Le rôle de ce dernier est d ssurer l'utopilotge du moteur c'est-à-dire l'orthogonlité du flux rotorique pr rpport u flux sttorique. Ces moteurs sont de grnd usge, on les trouve dns les modèles réduits d'vions, d'hélicoptères et de voitures comme ils sont ussi utilisés dns l industrie en robotique. Cette mnipultion consiste à fire l étude d un moteur brushless et à réliser s commnde en tension vec le contrôle de cournt grâce l outil Mtlb/Simulink/Plecs. II. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Prtie motrice : Les moteurs brushless sont constitués de 3 éléments principux : Une prtie fixe, le sttor, muni de trois groupes de bobines, ppelées les trois phses du moteur. Ces bobines fonctionnent comme des électroimnts et permettent de générer diverses orienttions de chmp mgnétique. Une prtie tournnte, le rotor, muni d imnts permnents. ces imnts vont en permnence entrîner le rotor pour tenter de s ligner sur le chmp mgnétique du sttor. Trois cpteurs mgnétiques à " effet Hll ". Ces cpteurs permettent de connître à chque instnt l position des imnts du rotor.

10 Ces mchines sont regroupé en deux grndes fmilles : des mchines dont l fem est sinusoïdle et des mchines dont les fem est trpézoïdle, mis ils sont identiques du point de vue structure. Nous étudierons plus prticulièrement les moteurs brushless dont l forme de l fem est trpézoïdle. logique de commnde : L logique de commnde détermine l position du rotor à prtir des cpteurs à effet Hll. Elle en déduit l orienttion à donner u chmp mgnétique du sttor. Au cours de l rottion, elle commnde les trois bobines pour juster régulièrement l orienttion du chmp à l position du rotor, de fçon à entrîner celui-ci dns le sens choisi et vec un couple mximl. Afin d voir un couple mximle et vec un minimum d ondultion, il fut que le chmps rotorique soit perpendiculire u chmp mgnétique sttorique. L logique de commnde permet de contrôler les trois phses du moteur BLDC à trvers six trnsistors en exploitnt les sorties des cpteurs à effet de Hll : D où le montge de fonctionnement du brushless suivnt :

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12 Sens trigonométrique Sens inverse Zone Alim H H2 H3 S S2 S3 S S2 S3 S S2 S3 S S2 S3 +b c b+c b c c+b On trouve les signux de commnde suivnts : S=H.Hb S2=Hb.Hc S3=H.Hc S =H.Hb S2 =Hb.Hc S3 =H.Hc En câblnt ces sorties pr des portes AND on trouve le schém suivnt :

13 III. MODELISATION DU BLDC Le moteur brushless peut être modélisé insi : Figure : Modèle du moteur brushless ) Etude de l zone Cette zone est crctérisée pr : I=I, Ib=-I et Ic=0 vec l tension U U > 0 (figure 2) = b On Figure 2 : le modèle de BLDC pour l zone ou U b > 0 dφ V = R I + dt φ = φ φ = L. I + φ b + φ + φ + M. I c b r + M. I c + φ r φ est le flux trversnt l bobine. Ainsi l expression de V devient : di di b di c V = R I + L + M + M + E dt dt dt Compte tenu de : R = et L = L l expression de V devient : R b b Donc : di di V = R I + L M + dt dt di V = R I + ( L M ) dt + E De l même fçon on démontre que : di V b = R I ( L M ) + E dt b E

14 On : E En posnt : = E = keω E donc l expression de est : b = mx U b di U b = V Vb = 2R I + 2( L M ) + 2E dt R = 2R, L = 2( L M ) et E = 2E mx. On obtient une expression qui est bien l éqution électrique de l MCC : mx b) Etude de l zone 2 di U b = RI + L + E dt Figure3 : modèle de BLDC pour l 2ème zone Cette zone est crctérisé pr : I=I, Ic=-I et Ib=0 vec U U > 0 On Et En tennt compte de : dφ V = R I + dt φ = L. I + M. I + M. I + φ dφc Vc = R I c + dt φ = L. I + M. I + M. I + φ c c c R = R c et b b c c r r = c L = L l expression de devient : di V = R I + ( L M ) + E dt De l même fçon on trouve que : V di V c = R I ( L M ) + E dt On E E = keω donc l expression de U est : En posnt : = c = E mx c R = 2R, L = 2L, E = 2Emx. di U c = V Vc = 2R I + 2( L M ) + 2E dt c mx

15 On obtient toujours l même expression de l éqution électrique de l MCC : di U b = RI + L + E dt D près l étude des deux zones et 2 on peut déduire que l tension ux bornes du moteur brushless grde l même forme sur toutes les zones de fonctionnement. Le couple du moteur : I. E + I b. Eb Dns l zone on : T = Ω Or dns cette zone on : E = E et I = I I b = E mx b = Donc Emx T = 2I( ) = KI Ω Emx vec K = 2( ) Ω L éqution mécnique est : dω j dt mec = T e T l frω mec IV. CALCUL DES PARAMETRES DES CORRECTEURS Comme nous vons montré, l étude du moteur brushless revient à étudier le moteur MCC puisque l unique différence entre les deux se mnifeste dns les coefficients R, L et K qui double de vleur. Comme déjà vu, le moteur peut être modélisé insi et ceci en tennt compte des pproximtions suivntes L << R et J >> fr : Figure 4: Modèle dynmique simplifié du moteur brushless L introduction des correcteurs est indispensble pour éliminer l écrt sttique entre l consigne et l vitesse de sortie (PI vitesse) insi que pour éviter les surintensités qui peuvent résulter d une chrge importnte (PI cournt). Dns le but d voir une réponse de premier ordre, ces deux correcteurs seront mises en œuvres en utilisnt l méthode de compenstion des pôles dominnts. Régulteur PI du cournt Dns l synthèse de ce correcteur on suppose que l vrition de E n ffecte ps Tm est négligeble. U réf et que

16 Pr compenstion de pôle et pr une nlogie entre l éqution électrique du moteur et celle du correcteur on boutit ux résultts suivnts : K pw =R/τi et K pi = L/τi Régulteur PI de vitesse Une fois le correcteur de cournt est clculé, on se trouve devnt un système à trois équtions ynt des temps de réponse différents et vu que celui de l éqution mécnique (Tm=J/fr) et supérieur à celui du PI cournt (Toi) ce dernier est négligé. Et de l même procédure on trouve : K iw = fr/(k.τ w ) et K pw =J/(k.τ w ) FORME D ONDE DU COURANT PAR PHASE CONCLUSION Le moteur brushless comme déjà indiqué n ps de blis et ne se distingue du moteur à cournt continu que pr s constitution. Ces moteurs peuvent fonctionner dns les deux sens mis il fut noter que là ou l MCC à besoin d un pont en H, le moteur brushless n' tout simplement besoin que d'un chngement dns l'ordre d'limenttion des bobines. Il se crctérise pr s petite tille et son bon rendement. Il est de plus en plus utilisé en modélisme et peut développer un couple et une vitesse importnts en plus s durée de vie est considérblement ugmentée pr l'bsence des frottements entre les blis et les collecteurs.

17 CHAPITRE III LES CAPTEURS DANS LES ENTRAINEMENTS ELECTRIQUES INTRODUCTION L croissnce de l puissnce des systèmes de tritement insi que les impértifs de productivité ppellent dns tous les domines de production industrielle un besoin d informtion continue sur : le déplcement, l position, l vitesse des outils ou des produits. Les systèmes de détection conventionnels (interrupteurs et détecteurs de positions), qui ne peuvent fournir que des informtions Tout Ou Rien à des endroits prédéterminés ne répondent que prtiellement ux besoins de précision et de flexibilité. D où l nécessité de cpteurs permettnt de mîtriser entièrement de l position et l vitesse. Ces cpteurs sont liés mécniquement, à trvers leurs xes, ux rbres des moteurs qui les entrîne. En outre, pour un contrôle efficient et performnt, il fut entourer les ctionneurs vec des cpteurs de cournt et de tension délivrnt continuellement des informtions sur l étt de fonctionnement. A. LES CAPTEURS DE POSITRION ET DE VITESSE (CAPTEURS MECANIQUES) Pour l qusi-totlité des ctionnements dynmiques pr moteurs électriques, les grndeurs électriques et mécniques sont des informtions indispensbles pour l commnde et l utopilotge. Les principux cpteurs mécniques utilisés pour l mesure des grndeurs mécniques vitesse et position ngulire du rotor sont : L génértrice tchymètrique (Anlogique) Le résolveur (Anlogique) L encodeur (Digitl) Le cpteur mécnique à effet Hll (Digitl) Concernnt les grndeurs électriques tension et cournt, les cpteurs peuvent être à effet Hll ou tout simplement des cpteurs montés utour d un AOP d isolement. L figure ci-dessous montre l structure générle d un ctionneur électrique. Cpteurs de cournts & de tensions CONVERTISSEUR STATIQUE MS DISPOSITIF DE COMMANDE Cpteur de position & circuit de tritement Figure - Forme générle d'une structure commnde de moteur.

18 I. Mesure de l vitesse vec l Génértrice Tchymètrique C est une petite génértrice à cournt continu fonctionnnt à vide. Elle délivre donc une tension proportionnelle à l vitesse de rottion : E = k.ω Exemple de constnte k : 0V 000tr / min L mesure est nlogique. II. Mesure de l position pr Résolveur/Digitliseur Ce cpteur est constitué d'un résolveur ssocié à un module de conversion résolveurdigitliseur R/D. Le résolveur est une mchine tournnte comportnt deux circuits mgnétiques, l'un sur le sttor et l'utre sur le rotor (figure 2). L'enroulement rotorique est limenté pr une tension lterntive U 0 (Signl de référence), l fréquence type f ref de cette tension est comprise entre 2kHz et 0kHz : U 0 = U m sin ( w Le sttor comporte deux enroulements en qudrture. Les signux U et U 2 délivrées pr ces enroulements sont donc des tensions lterntives dont l'mplitude est modulée en fonction de l position du rotor : U ( t, θ ) = E sin ( w U ( t, θ ) = E sin ( w 2 ref ref ref t ) t ). sinθ t ).cosθ Ces tensions contiennent implicitement l'informtion sur l position du rotor θ qui peut être extrite de l mnière suivnte : U θ = rctg U 2 θ θ Figure 2 : Résolveur : constitution et signux ssociés. Le tritement numérique de ces signux et de l tension d'limenttion du rotor, est rélisé u moyen d une crte à processeur (digitliseur).

19 . Considértions prtiques Pour une meilleure précision de l mesure de l ngle, le tritement des tensions mesurées doit voir lieu dns les conditions suivntes: Les signux U et U 2, sont échntillonnés, simultnément, à l fréquence du signle de référence f ref. L échntillonnge de U et U 2, est synchronisé sur leur mximum positif (à peu prés), c.-à-d. : π w ref t( k ) = ( 4k + ), 2 k = 0,,2... A fin d enlever l mbiguïté cusée pr l trnsformtion rctg dns les 4 cdrnts, il fut tenir en compte du signe du résultt (implicitement des signux de U et U 2 ), lors : U( k ) U( k ) θ ( k ) = rctg si 0 U 2( k ) U 2( k ) U θ ( k ) = π + rctg ( k ) U si ( k ) 0 U 2( k ) U 2 ( k ) Le schém bloque de l procédure rélisée pr le digitliseur est le suivnt : 2. Crctéristiques du résolveur Figure 3 : Schém bloque de l fonction du digitliseur. Avntges : L mesure délivrée est bsolue. Très bonne précision (nlogique) Inconvénients dus u digitliseur : Limittion u niveu de l vitesse et de l ccélértion mximle permise. Temps de réponse reltivement élevé à cuse du tritement numérique. Prix reltivement élevé.

20 III. Mesure de l position pr codeur optique Lié mécniquement à un rbre qui l entrîne, son xe fit tourner un disque percer qui lui est solidire (figue 4). Figure 4 : Schém éclté d un codeur optique. Il est constitué de : Eléments détecteurs (DEL et photodiodes), Disque codé, Un circuit électronique pour l' mplifiction et l mise en forme des signux délivrés pr le détecteur. Il existe deux types de codeurs optiques : bsolu et incrémentl.. Codeur bsolu Le disque des codeurs bsolus comporte un nombre «n» de pistes concentriques divisées en segments égux lterntivement opques et trnsprents (figure 5). Figure 5. Disque à 2 pistes. A chque piste est ssocié un couple émetteur / récepteur optique (diode D.E.L. et photodiode). Pour chque position ngulire de l xe, le disque fournit un «Code» de longueur «n» correspondnt à ème de tour. 2n Un codeur bsolu délivre lors en permnence un code qui est l imge de l position réelle. Cette mesure est bsolue.

21 . Exemple d un codeur bsolu 3 bits Figure 6 : Codeur bsolu à 3 bits. Pour chque position ngulire de l xe, le disque fournit un code binire de 3 bits correspondnt à /8 ème de tour (voir simultion). b. Résolution du codeur n bits Résolution = 2 n (précision 2π/2 n ) 2. Codeur incrémentl (Incrementl Encoder) Figure 7 : Schém éclté d un encodeur incrémentl. Le disque comporte 2 pistes de fenêtres trnsprentes et un trou d index. Pour un tour complet du codeur, le fisceu lumineux est coupé (N) fois sur les deux pistes. Le circuit mplificteur délivre d eux signux crrés A et B en qudrture ynt N impulsions (figur 8). L piste intérieure comporte une seule fenêtre trnsprente et délivre une seule impulsion pr tour. Ce signl Z détermine une position de référence (index) et permet l réinitilistion à chque tour.

22 A B Z Figure 8 : Signux encodeurs A, B et Z. Le déphsge de 90 électrique des signux A et B permet de déterminer le sens de rottion. A B A B Figure 9 : Signux encodeurs dns les deux cs de sens de rottion. Le comptge-décomptge des impulsions pr l unité de tritement permet de définir l position du mobile.. Résolution du codeur Trois cs peuvent se présenter selon les fronts détectés : Détection des fronts montnt de A résolution = N, (précision 2π/N ) Détection des fronts montnt et descendnts de A résolution = 2 N, (précision 2π/2N ) Détection des fronts montnt et descendnts de A résolution = 4 N, (précision 2π/4N ) b. Crctéristiques L vitesse ssez limitée cr l qulité de l lumière trnsmise u détecteur devient insuffisnte lorsque l vitesse s'ccroît. Frgile et encombrnt (pour une résolution stisfisnte >000 points/tour). Nécessite le tritement des signux délivré pr le détecteur. Pour le codeur incrémentl :

23 Bs prix (rélistion simple). Sensible u coupure d limenttion. IV. Mesure de l position pr un cpteur à effet hll Ce type de cpteur est essentiellement utilisé pour l commnde des moteurs Bushless. Il est constitué de trois sondes à effet Hll H, Hb et Hc utilisées pour détecter le chmp d induction produit pr l imnt et pour insi mesurer grossièrement l position du rotor. Elles sont solidires du sttor, logées directement dns celui-ci ou sur une pièce fixée u sttor. Comme indiqué sur l figure 0, elles sont espcées de 20. Les sondes délivrent trois signux crrés déclés de 20 chcun pr rpport à l utre. C est sur l bse de ces signux que les phses du moteur seront commutées. b Hb Br H Hc c H Figure 0 : Structure du cpteur à effet Hll Remrque Pour les cpteurs mécniques délivrnt uniquement l mesure de l position ngulire, l vitesse peut être déduite pr une simple dérivtion. Ω = dθ dt B. CAPTEURS DE TENSION ET DE COURANT Afin de mesurer les tensions et les cournts il fut disposer de cpteurs, isolés glvniquement, délivrnt les signux correspondnt ux entrées du moteur. On opte usuellement pour des cpteurs à bse de shunt ou résistnce vec des Ampli Opértionnel d isolement ou pour des cpteurs à effet Hll. Nous détillons dns ce prgrphe l mise œuvre des deux modules à effet Hll du fbriqunt LEM : LV 25-P pour l tension LA 25-NP pour le cournt.

24 Ce sont des trnsformteurs de cournt permettnt l mesure de signux dont l forme d'onde comporte des hrmoniques de rng élevé. Leur principe est bsé sur l compenstion mgnétique (Figure 0): le chmp mgnétique créé pr les mpères-tours primires (cournt I p à mesurer x nombre de spires primires) est compensé pr un chmp mgnétique créé pr les mpères-tours secondires (cournt I s de mesurer x nombre de spires secondires). Le système comprend un détecteur d'induction ssocié à un circuit électronique générteur de cournt. D'où l reltion fondmentle: N p I p = N s I s Les schéms des rccordements des deux cpteurs sont représentés dns l figure. Détection d'induction Amplificteur _ + Entrée primire N p N s R m Circuit mgnétique Cournt proportionnel à l grndeur mesurée Figure 0 : Dessin de principe des cpteurs de cournt et de tension. Tension à mesurer Cournt à mesurer R HT +HT -HT LV 25-P LA 25-NP _ + M _ + M -5V +5V R m -5V +5V R m V s Vers entrées nlogiques V s Vers entrées nlogiques Cpteur de tension Cpteur de cournt Figure : Schéms de rccordements des cpteurs.

25 I. Le module LEM LV 25-P C est un cpteur conçu en rélité pour l mesure électronique des cournts vec une isoltion glvnique entre le primire (circuit de puissnce) et l mesure (circuit électronique). Les crctéristiques principles de ce cpteur sont les suivntes (voir nnexe): Cournt primire nominl I n : 0 -ma Cournt de sortie nominl : 25 -mma Précision globle à 25 C : ± 0.6 % I n (cournt nominl) Tension d'limenttion : ± 5 (± 5 %) V Résistnce interne primire : 250 à + 70 C Ohm Résistnce interne secondire : 0 à +70 C Ohm Pour mesurer une tension vec ce cpteur, il fut prélever un cournt proportionnel à l tension mesurée. Le primire du cpteur est rccordé à l tension à mesurer vec une résistnce R HT, en série. Compte tenu d'une prt de l résistnce du bobinge primire, qui doit être fible pr rpport à R HT pour que s vrition en tempérture soit négligeble, et d'utre prt de l'isoltion, ce cpteur de tension convient pour l mesure des tensions llnt jusqu'à 500 V. L précision optimle du cpteur est obtenue vec le cournt primire nominl. Dns l mesure du possible R HT ser dimensionnée pour que l tension nominle à mesurer corresponde à un cournt primire de 0 ma. Afin d' voir le cournt primire recommndé vec l tension médine de l plge des tensions mesurbles vec ce cpteur, c.-à-d. 250 V, nous pouvons prendre une résistnce: R HT = 25 kohms / 7 W (résistnce de puissnce) L précision sur les mesures est lors égle à ±.5 V. Qunt à l résis tnce de mesure R m, son rôle est d'dpter l tension de sortie V s du cpteur à l'échelle des entrées nlogiques de l crte d'cquisition. Exemple de mise en œuvre : Pour pouvoir mesurer des tensions jusqu'à 500 V vec le module LEM LV 25-P, nous vons choisi une résistnce: R m = 00 Ohm Avec cette vleur nous vons à l sortie du cpteur les mesures suivntes: Pour U n = 250 V Vs = R m In = 2.5 V Pour U n mx = 500 V Vs = R m In = 5 V D'où le rpport introduit pr le cpteur entre l tension mesurée V TH et l tension de sortie: Vs NV = = VTH 00 II. Le module LEM LA 25-NP C est un cpteur de cournt multi-clibre. Il permet une mesure électronique des cournts continus, lterntifs, impulsionnels et mixtes vec isoltion glvnique. Les crctéristiques principles de ce cpteur sont les suivntes (voir nnexe): Cournt primire nominl I n : 25 A Erreur mximu m à 25 C : ± 0.6 % I n (cournt nominl) Cournt de sortie nominl : 25 -ma Tension d'limenttion : ± 5 (± 5%) V

26 Rpport de trnsformtion Nt : / 000 Résistnce interne secondire : 0 à +70 C Ohm Résistnce interne primire : Inférieure à.25 -mohm / spire Exemple de mise en œuvre : En choisissnt un rpport de trnsformtion et une résistnce de mesure tels que: Nt = 000 et R m = 200 Ohm Le cournt primire nominl (I p = I n = 25 A) donne un cournt de sortie I s égl à 25 ma. L tension de sortie prend donc l vleur: Vs = R m I s = 5 V Cette tension est cceptble pr l pluprt des crtes d'cquisition. Le rpport introduit pr le cpteur entre le cournt primire mesuré I p et l tension de sortie Vs est lors donné pr: N I = = V / A I p 5 L précision de mesure est lors égle à ±0.5 ma. C. FILTRAGE DES MESURES Le filtrge à pour rôle d éliminer les bruits de mesure et de rendre les mesures plus nettes et mieux dptées à un tritement ou une exploittion. Dns les entrînements électriques ce sont des filtres Psse-Bs qu on utilise générlement. L fonction de trnsfert d un tel filtre est l suivnte : wc F (s) = = où τ f est l constnte de temps introduite pr le filtre. s + wc τf s + wc L fréquence de coupure est donnée pr fc =. 2 π L figure 2 montre un filtre PB de pulstion wc = 00 r/s vec s réponse fréquentielle (digrmme de Bode) et s réponse temporelle. Les trois règles à respecter lors de l conception d un filtre sont les suivntes :. Le filtre doit permettre le pssge de l fréquence utile f ou l plge de fréquences utile mise en jeu (figure ci cintre). Ceci dit que l fréquence de coupure fc doit être prise supérieure l fréquence l plus élevée possible. Si non, le filtre introduir une tténution qui ffecter l mplitude de l mesure. Gin du filtre f fc Fréquences utiles Bruits 2. L fréquence de coupure du filtre doit être suffismment petite pour voir un signl bien filtré. 3. L constnte de temps du filtre (qui dépend de l fréquence de coupure choisie) ne doit ps être long. Ce point est critique dns les pplictions où l mesure est utilisée dns une boucle de régultion. En effet, une constnte de temps très longue du filtre, s oppose

27 à l rélistion d une commnde ynt pour objectif un temps de réponse court en boucle fermé. Pr conséquent, dns le cs d es grndeurs continus ou lentement vribles où l fréquence utile est prtiquement nulle (cournt et tension continues, vitesse) l fréquence de coupure du filtre est prise très fible : wc = 00 rd/s ç.à.d fc 6 Hz, l constnte de temps ssocier est τ f = = 0.0s wc Pr contre, dns le cs des grndeurs lterntives ou rpidement vribles (cournt et tension lterntives) l fréquence de coupure est prise reltivement importnte : wc = 000 rd/s ç.à.d fc 60 Hz, l constnte de temps ssocier est τ wc f = = L plge de fréquences permise vec ce filtre est comprise entre 0 et 50 Hz environ. 0.00s Mgnitude (db) Bode Digrm Filtre PB wc s + wc Step Response Phse (deg) -45 Am plitude Frequency (rd/sec) Figure 2 : Réponse fréquentielle et temporelle d un filtre PB (wc=00rd/s). Références Driss Yousfi, Rpport de recherche sur l commnde des moteurs électriques, 200. Pierre Myé, Moteurs électriques pour l robotique, Dunod Mich el Etique, Les Entrînements réglés, HEIG-Vd, octobre Texs Instrument, Appliction Report: SPRA605.pdf, Februry Fiches techniques des cpteurs LEM LV 25-P et LA 25-NP. Site pédgogique :

28 Chpitre III CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT D UN DEMI POND (BRAS D ONDULEUR OU DE HACHEUR) I. CAHIER DES CHARGES L chrge, de nture inductive, ser limentée pr un signl modulé en lrgeur d impulsion (MLI en frnçis, PWM pour «Pulse Width Modultion» en nglis) de fçon à créer une tension moyenne réglble de 0 à 24V à ses bornes. On dmettr que le cournt moyen permnent n y dépsse ps A. Une source d limenttion externe déqute ser disponible.l entrée du dispositif recevr le signl de commnde délivré pr un générteur : un signl crré logique 5V, de fréquence réglble de à 00 khz et de rpport cyclique vrible. Les circuits de commnde pourront être limentés pr une source de tension continue externe de 5V. II. STRUCTURE PRINCIPALE : LE BRAS ET SA COMMANDE RAPPROCHEE Le brs est essentiellement constitué de deux trnsistors MOSFET de puissnce et d un circuit de commndepermettnt de les commuter rpidement entre les étts OFF (bloqunt) et ON (pssnt).. Choix d une structure A ce niveu de puissnce reltivement fible, on pourrit réliser le brs u moyen de trnsistors complémentires (le cnl N étnt connecté u potentiel bs de l limenttion de puissnce, le cnl P étnt connecté «en hut»). Pr contre, à prtir d un niveu de puissnce de quelques centines de wtts et lorsque les tensions d limenttions sont supérieures à quelques dizines de volts, il devient impossible de trouver des trnsistors «P» ynt une résistnce de cnl suffismment fible pour que les pertes pr conduction qui y sont liées restent cceptbles. Pour cette pplictions, nous choisissons délibérément d utiliser uniquement des trnsistors cnl N de fçon à se mettre dns le cs le plus fréquemment rencontré dns les rélistions industrielles. C est églement l occsion de constter que, grâce à l utilistion de circuits intégrés spécilisés pour l commnde des trnsistors, ce montge n est ps plus lourd que le montge à bse de trnsistors complémentires. On verr églement que ces trnsistors sont volontirement choisis trop puissnts, églement dns le but d être confrontés à quelques difficultés clssiques en électronique de puissnce. 2. Trnsistors de puissnce On choisit d utiliser des MOSFETs cnl N de type IRF520N (fbriction «Interntionl Rectifier») disponibles u lbortoire ; ces trnsistors, dont les crctéristiques sont détillées en nnexe (IRF520.pdf), sont cpbles de tenir une différence de potentiel de 00V entre drin et source (VDSS) et un cournt de drin de 9.7A (ID) ce qui est lrgement suffisnt (il nous fut 24 V et A mximum). Ces trnsistors seront identifiés pr «MOS» et «MOS2» sur le schém complet en IV.3. Les grilles des trnsistors seront commndées chcune pr l intermédiire d une résistnce dont l vleur nominle référencée pr le constructeur est de 22 Ω. Cette résistnce pour effet de rlentir certines phses de l commuttion de fçon à obtenir un compromis entre dv/dt mximum et pertes pr commuttion. On noter que, dns les conditions de

29 fonctionnement qui seront les nôtres (VGS = 0 ou 5V ; VDS = 24 V mximum), l chrge de grille nécessire à l mise en conduction d un trnsistor et à l obtention de 5V sur s grille est de 20 nc (IRF520, figure 6 : «Typicl Gte Chrge Vs Gte-to-Source Voltge»). 3. Circuit de commnde des trnsistors de puissnce ( Driver ) Comme les deux trnsistors sont des «cnl N», il est nécessire de disposer d une commnde «flottnte» (c.- à-d. qui ne soit ps liée à un potentiel fixé du circuit) pour le trnsistor «du hut» (c.-à-d. celui dont le drin est connecté u positif de l limenttion de puissnce) ; on choisit d utiliser un circuit intégré spécilisé disponible u lbortoire, le L6385 («High voltge high nd low side driver», fbriqunt ST Microelectronics) dont on trouver les crctéristiques techniques en nnexe (L6385.pdf). Il s git d un circuit permettnt le pilotge des deux MOSFETS, celui du hut pouvnt être porté à une tension de 600V ce qui est nettement plus que ce qui nous est nécessire (24V). L limenttion de l logique de commnde de ce trnsistor est rélisée pr une technique dite de «bootstrp» : l électronique de commnde du trnsistor MOS de puissnce du hut est limentée pr un condensteur2 (C3 à l figure suivnte et sur le schém complet en IV.3) dont l rechrge est ssurée pr connexion à l limenttion 5V pendnt le lps de temps où le trnsistor du bs conduit, ce condensteur étnt ensuite déconnecté pour servir d limenttion utonome lorsque le trnsistor du hut et son électronique de commnde se trouvent portés u potentiel hut de l limenttion3. Le circuit L6385 est référencé «U2» à l figure suivnte et sur le schém complet en IV.3. Fig. Circuit de commnde des trnsistors de puissnce L diode clssiquement utilisée pour obtenir l connexion / déconnexion nturelle du condensteur de bootstrp à l limenttion peut être omise si l circuiterie interne prévue dns le L6385 est suffismment performnte. Nénmoins et compte tenu de l usge didctique prévu, cette diode est bien présente (D4 sur le schém) mis connectble pr un pontet (JP4). L diode choisie pour son très fible temps de recouvrement est l MUR00E (fbriction «ON Semiconductor» nciennement «Motorol», MUR00ED. pdf. Le condensteur de «bootstrp», C3 sur le schém complet (voir.7) doit être choisi de bonne qulité en hute fréquence et s vleur doit être suffisnte pour que le trnsfert de chrges dns l grille du MOS ne fsse ps trop chuter l tension ; considérnt une chrge

30 totle de grille de 20 nc pour une chute de tension de V conduit à choisir une vleur de cpcité de 20 nf (C = Q / dv). L limenttion du L6385 se fit à prtir de l tension extérieure 5V en ynt soin de prévoir un condensteur rpide de découplge locl (C9). Ce condensteur ssure en plus l rechrge du condensteur de «bootstrp» et doit donc être choisi de vleur supérieure. Au totl, le clssique condensteur cérmique de 00 nf convient donc bien. 4. Alimenttion de puissnce Un utre élément importnt est l présence d un «découplge» correct de l limenttion de puissnce u moyen de deux condensteurs dont les rôles se complètent : l un, de forte cpcité (type électrochimique), prend en compte l mplitude du cournt à reprendre, l utre, de cpcité plus fible mis de meilleur bnde pssnte (type cérmique), permet l reprise du cournt lors des premiers instnts. Considérnt un cournt de A pulsé à 0 khz, le choix d une cpcité de 470 μf conduit à des vritions de tension risonnbles de 0.2V (=> C4 = 470 μf, doublée pr un clssique condensteur cérmique C7 de 00 nf à l Fig. -et sur le schém complet en IV.3). III. L INTERFACE D ENTREE Le signl disponible pour l commnde du brs (signl d entrée) est de type logique 5V provennt d un générteur de signux. A prtir de ce signl, il s git, en gros, de fbriquer deux signux logiques complémentires l un de l utre pour ttquer les entrées du «driver» L6385. Il s git ussi de prévoir un retrd dns l mise en conduction de chcun des trnsistors MOSFETS pour éviter de court-circuiter trnsitoirement l source d limenttion à trvers le brs.. Crétion de signux logiques complémentires On obtient ces deux signux complémentires pr l intermédiire de deux portes «OU exclusif» ( XOR) à deux entrées, l une étnt montée en suiveur de l tension logique de commnde, l utre en inverseur ce qui s obtient simplement en ppliqunt un niveu logique zéro (tension bsse soit 0V) sur l seconde entrée de l première et un niveu logique un (tension hute soit 5V) sur l seconde entrée de l deuxième. Le schém correspondnt est le suivnt : Fig. 2 Crétion de signux logiques complémentires

31 On choisit d inverser l commnde du trnsistor MOS du bs de telle sorte que l tension ppliquée à l chrge soit en phse vec l tension logique de commnde. Notons que l insertion d une porte logique de même type dns chque voie de commnde permet de n introduire qu un minimum de différence dns les temps de propgtion, donc de minimiser les risques de créer un court-circuit trnsitoire de l limenttion pr le brs lors de l commuttion. Le circuit intégré choisi, noté U sur ce schém (et sur le schém complet, contient qutre portes (74HC86, «Qud 2 inputs Exclusive OR Gtes», crctéristiques en nnexe : 74HC86.pdf ) ce qui implique que deux portes resteront non utilisées. Elles doivent être neutrlisées pour éviter tout risque destructif de mise en régime linéire et /ou d oscilltion des étges à trnsistors internes du composnt.7 Ce circuit, de technologie HCMOS (High Speed Complementry Metl Oxyde Semiconductor, crctéristiques générles en nnexe : HCT_FAMILY_SPECIFICATIONS.pdf), nécessite pr illeurs une limenttion 5V. Pour ne ps lourdir inutilement le montge, cette tension est obtenue simplement en chutnt le 5V à trvers une résistnce R4 (820 Ω) vers une diode Zener de 4.7V (le cournt disponible est plus que suffisnt). On noter encore que les niveux des tensions de sortie des deux portes XOR sont bien comptibles vec les entrées du «driver» L Retrd à l mise en conduction des MOSFETs Le «temps mort» nécessire à éviter un court-circuit trnsitoire des deux MOS de puissnce est obtenu en retrdnt l ordre de mise en conduction pr le circuit suivnt qui tire prti du fit que les entrées du «driver» L6385 sont des entrées à hystérésis (ce qui implique que l on peut y ppliquer des tensions vrint plus lentement que les trnsitions hbituelles des signux logiques sns risque de mettre le circuit en régime de fonctionnement linéire4 et d insi provoquer s destruction et/ou s mise en oscilltion). Fig. 3 Retrd à l mise en conduction Le fonctionnement de ce montge est détillé en 4.3 mis on peut le résumer comme suit : - Trnsition 0V -> 5V : l diode est bloquée, le condensteur se chrge pr l intermédiire de l résistnce R2; l tension à l entré du L6385 évolue donc selon une exponentielle décroissnte vers 5V. On peut estimer le retrd introduit à un peu plus de 00 ns. - Trnsition 5V - > 0V : cette fois l diode conduit et est donc responsble de l déchrge de l cpcité. Son impédnce étnt fible, l déchrge ser nettement plus rpide, du même ordre de durée que l trnsition en sortie du circuit logique soit quelque nnosecondes.

32 Les diodes utilisées sont de type Schottky pour minimiser l chute de tension directe ; on en trouver les crctéristiques détillées dns le fichier BAT85_4.pdf. IV. Améliortion de l commuttion. Pssivtion de l diode intrinsèque L diode «de roue libre» intrinsèque u trnsistor MOS s vère mlheureusement de piètre qulité, tnt u pln des pertes engendrées en conduction (à tempérture mbinte, l chute directe ser de 0.8V à V selon le cournt) que, surtout, en terme de commuttion : l chrge de recouvrement inverse (Reverse Recovery Chrge Qrr ) est importnte (390 à 580 nc) pour un temps de 99 à 50 ns ce qui engendrer des cournts de plusieurs mpères! En bsse tension comme dns notre cs, l solution consiste simplement à plcer une diode Schottky entre drin et source du MOS de fçon à bénéficier de ses bonnes qulités (ps de temps de recouvrement et chute de tension directe fible ce qui grntit que l diode intrinsèque du MOS ne conduir jmis). L diode choisie est une diode A de type N589, (fbriction «ON Semiconductor» nciennement «Motorol»). Fig. 4 Pssivtion de l diode intrinsèque 2. Snubber Pour se prémunir des oscilltions hute fréquence pouvnt pprître sur l chrge u moment de l commuttion, un circuit R-C série (ppelé «snubber») été prévu en prllèle sur les trnsistors de puissnce. Il s git de R7-C5 et R8-C6 comme on peut le voir sur le schém globl en IV Schém Globl Le schém complet pour l mise en œuvre d un brs d onduleur est le suivnt :

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